Una imagen de rayos X de ondas sonoras. Crédito:Kevin Satzinger y Samuel Whiteley
Investigadores de la Universidad de Chicago y del Laboratorio Nacional Argonne han inventado una forma innovadora para que diferentes tipos de tecnología cuántica "hablen" entre sí utilizando el sonido. El estudio, publicado el 11 de febrero en Física de la naturaleza , es un paso importante para acercar la tecnología cuántica a la realidad.
Los investigadores están mirando los sistemas cuánticos, que aprovechan el peculiar comportamiento de las partículas más pequeñas como clave para una generación fundamentalmente nueva de electrónica a escala atómica para la computación y la comunicación. Pero un desafío persistente ha sido la transferencia de información entre diferentes tipos de tecnología, como memorias cuánticas y procesadores cuánticos.
"Abordamos esta pregunta preguntando:¿podemos manipular y conectar estados cuánticos de la materia con ondas sonoras?" dijo el autor principal del estudio, David Awschalom, el profesor de la familia Liew del Instituto de Ingeniería Molecular y científico principal del Laboratorio Nacional de Argonne.
Una forma de ejecutar una operación de computación cuántica es usar "espines", una propiedad de un electrón que puede estar hacia arriba, abajo o ambos. Los científicos pueden usar estos como ceros y unos en el lenguaje de programación de computadoras binario de hoy. Pero obtener esta información en otro lugar requiere un traductor, y los científicos pensaron que las ondas sonoras podrían ayudar.
"El objetivo es acoplar las ondas sonoras con los espines de los electrones en el material, "dijo el estudiante graduado Samuel Whiteley, el co-primer autor del artículo. "Pero el primer desafío es conseguir que los giros presten atención". Entonces construyeron un sistema con electrodos curvos para concentrar las ondas sonoras, como usar una lupa para enfocar un punto de luz.
El nanocientífico de Argonne, Martin Holt, tomó imágenes de rayos X de las ondas acústicas con la Nanoprobe de rayos X duros en el Centro de Materiales a Nanoescala y Fuente de Fotones Avanzada. ambos en Argonne. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Los resultados fueron prometedores, pero necesitaban más datos. Para ver mejor lo que estaba sucediendo, trabajaron con científicos del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne para observar el sistema en tiempo real. Esencialmente, usaron extremadamente brillante, potentes rayos X del sincrotrón gigante del laboratorio, la fuente de fotones avanzada, como un microscopio para observar los átomos dentro del material a medida que las ondas de sonido se mueven a través de él a casi 7, 000 kilómetros por segundo.
"Este nuevo método nos permite observar la dinámica y estructura atómica en materiales cuánticos a escalas de longitud extremadamente pequeñas, ", dijo Awschalom." Este es uno de los pocos lugares en todo el mundo con la instrumentación para observar directamente a los átomos moverse en una red a medida que las ondas de sonido pasan a través de ellos ".
Uno de los muchos resultados sorprendentes, los investigadores dijeron, era que los efectos cuánticos de las ondas sonoras eran más complicados de lo que habían imaginado al principio. Para construir una teoría comprensiva detrás de lo que estaban observando a nivel subatómico, se volvieron hacia la profesora Giulia Galli, el profesor de la familia Liew en el IME y un científico senior en Argonne. Modelar el sistema implica ordenar las interacciones de cada partícula en el sistema, que crece exponencialmente, Awschalom dijo:"pero el profesor Galli es un experto mundial en tomar este tipo de problema desafiante e interpretar la física subyacente, lo que nos permitió mejorar aún más el sistema ".
Normalmente es difícil enviar información cuántica por más de unas pocas micras, dijo Whiteley, ese es el ancho de una sola hebra de seda de araña. Esta técnica podría extender el control a todo un chip u oblea.
Se utiliza un chip acústico para generar y controlar ondas sonoras. Crédito:Kevin Satzinger
"Los resultados nos brindaron nuevas formas de controlar nuestros sistemas, y abre espacios de investigación y aplicaciones tecnológicas como la detección cuántica, "dijo el investigador postdoctoral Gary Wolfowicz, el otro co-primer autor del estudio.
El descubrimiento es otro del programa líder mundial de la Universidad de Chicago en ciencia e ingeniería de la información cuántica; Awschalom lidera actualmente un proyecto para construir una red de "teletransportación" cuántica entre Argonne y Fermi National Accelerator Laboratory para probar los principios de un sistema de comunicaciones potencialmente imposible de piratear.
