Hasta la fecha, La investigación en óptica cuántica ha investigado principalmente la relación entre la luz y la materia utilizando pequeños átomos que interactúan con campos electromagnéticos que tienen longitudes de onda sustancialmente mayores. En un nuevo estudio poco convencional, un equipo de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia y el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz se propusieron explorar la interacción entre un gran átomo y campos acústicos con longitudes de onda varios órdenes de magnitud por debajo de las dimensiones atómicas.

En un estudio anterior, algunos de los investigadores del mismo grupo demostraron que los átomos artificiales basados ​​en qubits superconductores pueden acoplarse piezoeléctricamente a ondas acústicas de superficie. Al comparar la interacción sonido-materia que observaron con la interacción luz-materia más convencional, encontraron que los dos son en realidad muy similares.

Inspirado por estas observaciones, se propusieron investigar la física de la interacción luz-materia en sistemas acústicos. Sin embargo, encontraron que esto solo se puede hacer dentro de regímenes de parámetros que son desafiantes, si no imposible, lograr sin usar sonido.

"Nos dimos cuenta de que la lenta velocidad de propagación del sonido nos permitiría diseñar átomos artificiales con retrasos de tiempo internos, o átomos 'gigantes' como nos gusta llamarlos, "Gustav Andersson, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Nuestro objetivo era descubrir en qué se diferenciaba este régimen del caso más estándar de átomos pequeños, cómo sería la absorción y emisión de fonones de un átomo gigante ".

Para alcanzar el 'régimen del átomo gigante' que querían investigar, los investigadores aprovecharon una característica clave de las ondas sonoras, específicamente, su lenta tasa de propagación. De hecho, la tasa de propagación de las ondas sonoras es de alrededor de 3000 m / s, que es cinco órdenes de magnitud más lento que la luz.

Andersson y sus colegas hicieron que el átomo artificial interactuara con el sonido en dos puntos separados. Para que su experimento funcione, sin embargo, la distancia entre estos dos puntos tenía que ser lo suficientemente grande para asegurar que el tiempo en el que las ondas se propagaban a través de ellos fuera más largo que la escala de tiempo de absorción y emisión de fotones.

El enfoque adoptado por los investigadores podría compararse con el control de la radiación de un átomo conectándolo a una antena. Como la velocidad de las ondas sonoras es baja, su campo tarda más en propagarse a través del átomo gigante, dando lugar a lo que se conoce como dinámica no markoviana.

"Hicimos que el átomo artificial interactuara con el sonido a través de transductores interdigitales (IDT), una estructura de dedos periódica cuyo período coincide con la longitud de onda de las ondas acústicas superficiales, "Andersson explicó." Creamos esta separación mediante el uso eficaz de dos IDT que están conectados eléctricamente. Luego usamos mediciones de microondas a baja temperatura, técnicas estándar para circuitos superconductores, para estudiar las propiedades del átomo gigante ".

El experimento realizado por Andersson y sus colegas arrojó varias observaciones interesantes relacionadas con la interacción entre el sonido y la materia. Por ejemplo, los investigadores pudieron demostrar la desintegración no exponencial y las nuevas propiedades de dispersión de los átomos gigantes. Estas características recién descubiertas son causadas por el efecto de retardo de tiempo (es decir, proceso no markoviano) a nivel de un solo átomo.

"El marco tradicional de la óptica cuántica se basa en átomos puntuales y desprecia el tiempo que tarda la luz en pasar por un solo átomo, "Lingzhen Guo, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Para explicar las observaciones recopiladas en nuestros experimentos, sin embargo, tenemos que considerar tanto el efecto de tamaño como el retardo de tiempo del átomo. Por lo tanto, el estudio de átomos gigantes representa un nuevo paradigma en óptica cuántica ".

El trabajo reciente de Andersson, Guo y el resto de su equipo demuestran la naturaleza no markoviana de un átomo gigante en el espectro de frecuencias, al mismo tiempo que revela su declive no exponencial a lo largo del tiempo. En el futuro, les gustaría llevar a cabo estudios adicionales que podrían aumentar la relevancia de los sistemas acústicos en el procesamiento de información cuántica explotando sus ventajas sobre los circuitos puramente eléctricos.

"Debido a la corta longitud de onda del sonido, Los resonadores de ondas acústicas de superficie se pueden diseñar para admitir muchos más modos de resonancia que sus contrapartes electromagnéticas, "Andersson dijo." Al acoplar estos modos junto con circuitos superconductores, Esperamos crear estados cuánticos complejos con un mínimo de hardware. Sería emocionante ver si tales sistemas podrían usarse para simular sistemas cuánticos de estado sólido o ciertos esquemas para realizar la computación cuántica ".

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