Los investigadores dirigidos por el personal de la Universidad Tecnológica de Delft han dado dos pasos en la conversión de estados cuánticos entre señales en los dominios ópticos y de microondas. Esto es de gran interés para conectar futuras computadoras cuánticas superconductoras en una red cuántica global. Esta semana informan sobre sus hallazgos en Física de la naturaleza y en Cartas de revisión física .

La conversión entre señales en los dominios de microondas y ópticos es de gran interés, particularmente para conectar futuras computadoras cuánticas superconductoras en una red cuántica global. Muchos esfuerzos líderes en tecnologías cuánticas, incluyendo qubits superconductores y puntos cuánticos, compartir información cuántica a través de fotones en el régimen de microondas. Si bien esto permite un grado impresionante de control cuántico, también limita la distancia que la información puede viajar de manera realista antes de perderse a unos pocos centímetros.

Al mismo tiempo, el campo de la comunicación óptica cuántica ya ha visto demostraciones a escalas de distancia capaces de proporcionar aplicaciones del mundo real. Transmitiendo información en la banda de telecomunicaciones ópticas, Pueden preverse redes cuánticas basadas en fibras a lo largo de decenas o incluso cientos de kilómetros. "Para conectar varios nodos de computación cuántica a grandes distancias en una Internet cuántica, Por lo tanto, es vital poder convertir la información cuántica del dominio de microondas al dominio óptico, y de regreso, ", dice el profesor Simon Groeblacher de la Universidad Tecnológica de Delft." Esto no solo será extremadamente interesante para aplicaciones cuánticas, sino también de alta eficiencia, conversión de bajo ruido entre señales ópticas y eléctricas clásicas ".

Estado fundamental

Se han adoptado varios enfoques prometedores para realizar un convertidor de microondas a óptica, por ejemplo, tratando de acoplar las señales a través de un sistema mecánico (oscilador). Pero hasta ahora todos han funcionado con un fondo de ruido térmico sustancial. "Hemos superado esta limitación y hemos demostrado una conversión coherente entre las señales de microondas de GHz y la banda de telecomunicaciones ópticas con un ruido de fondo térmico mínimo, "Moritz Forsch, uno de los dos autores principales de las publicaciones, explica.

Lograr esto, era necesario enfriar el oscilador mecánico en el estado de movimiento fundamental cuántico. La baja ocupación térmica forma la base del control cuántico sobre los estados mecánicos. Rob Stockill, el otro autor principal, continúa:"Utilizamos un Dispositivo electro-opto-mecánico en chip que acopla ondas acústicas de superficie impulsadas por una señal de microondas resonante a un cristal optomecánico. Inicializamos el modo mecánico en su estado fundamental cuántico, lo que nos permite realizar el proceso de transducción con un mínimo ruido térmico añadido, mientras se mantiene que los fotones de microondas mapeados en el resonador mecánico se convierten efectivamente en el dominio óptico ".

Materiales piezoeléctricos

El equipo de Groeblacher ha dado recientemente un paso más en este campo, centrándose en el uso de nuevos materiales piezoeléctricos. Estos materiales, en el que se producen campos eléctricos debido a esfuerzos mecánicos, podría ser de gran interés para la transducción de información cuántica entre diferentes portadores. El acoplamiento electromecánico en principio permite la transducción de un estado cuántico entre los dominios de frecuencia óptica y de microondas en este material. Por lo tanto, un enfoque prometedor es construir dispositivos opto-mecánicos piezoeléctricos integrados, que luego se acoplan a circuitos de microondas.

"Hemos diseñado y caracterizado un dispositivo optomecánico piezoeléctrico fabricado con fosfuro de galio, en el que un modo mecánico de 2,9 GHz se acopla a un resonador óptico de factor de alta calidad en la banda de telecomunicaciones. La gran banda prohibida electrónica y la baja absorción óptica resultante de este nuevo material, a la par con los dispositivos fabricados con silicio, nos permite demostrar el comportamiento cuántico de la estructura, "dice el profesor Groeblacher.

Próximo paso

El dispositivo fabricado con fosfuro de galio (GaP) supera con creces los logros actuales en GaAs u otros materiales piezoeléctricos que se utilizan normalmente en enfoques similares. El siguiente paso para los investigadores es aprovechar el funcionamiento exitoso del dispositivo GaP en este régimen de parámetros e investigar más a fondo el uso de este interesante material. Dada la amplia banda prohibida electrónica y las propiedades piezoeléctricas de GaP, Estos resultados de investigación abren la puerta a nuevos experimentos cuánticos, así como a la posibilidad de utilizar estos dispositivos para la conversión de microondas a óptica de fotones individuales.

La publicación en Física de la naturaleza fue una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Delft, la Universidad de Viena, Universidad Tecnológica de Eindhoven y NIST.

La publicación en Cartas de revisión física fue una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Delft, Universidad Paris-Sud, Université Paris-Saclay y Université de Paris.