Los físicos de la Universität Regensburg han acoplado las vibraciones de una macromolécula, un nanotubo de carbono, a una cavidad de microondas, creando un sistema optomecánico novedoso y altamente miniaturizado. El equipo del Dr. Andreas K. Hüttel logró esto utilizando la cuantificación de la carga eléctrica, es decir., que es transportado por electrones individuales, como un fuerte mecanismo amplificador. Sus hallazgos fueron publicados el 2 de abril en Comunicaciones de la naturaleza . Presentan un paso importante hacia la combinación de tecnologías cuánticas completamente diferentes, como, p.ej., qubits de espín de electrones y qubits superconductores, en un dispositivo.

Normalmente, acoplar el movimiento de una macromolécula, como un nanotubo de carbono, a las microondas es difícil. ¿Por qué? Debido a que las longitudes de onda electromagnéticas utilizadas en la computación cuántica o en los dispositivos de electrodinámica cuántica de cavidades, trabajando en frecuencias de GHz, están en el rango milimétrico. Un dispositivo de nanotubos típico, útil tanto para atrapar electrones en estados cuánticos conocidos como como resonador vibracional, tiene menos de un micrómetro de largo, con amplitudes de vibración por debajo de un nanómetro. Como resultado de esta discrepancia de tamaños, el movimiento del nanotubo simplemente no modifica mucho el campo electromagnético de una cavidad de microondas. El acoplamiento predicho por la teoría optomecánica estándar es mínimo.

Todavía, lograr tal acoplamiento y controlarlo, sin conducir el nanotubo a grandes amplitudes de vibración, es por muchas razones una idea atractiva. Un nanotubo es un excelente resonador de cuerdas, almacenar energía durante mucho tiempo; su vibración podría usarse para traducir información cuántica entre grados de libertad fundamentalmente diferentes. Y tanto los electrones atrapados individuales como los circuitos de microondas superconductores son candidatos calientes para las arquitecturas de computación cuántica.

El experimento de Ratisbona, publicado como un artículo de acceso abierto, ha demostrado que la interacción entre los dos sistemas, vibración y campo electromagnético, se puede amplificar por un factor de 10, 000 en comparación con predicciones geométricas simples. Esto se logra utilizando la llamada capacitancia cuántica:la corriente es transportada por electrones discretos, lo que significa que cargar un condensador muy pequeño, como un nanotubo, no ocurre de forma continua, sino en pasos. Al elegir un punto de trabajo en la curva escalonada, el acoplamiento optomecánico es controlable, y se puede encender y apagar rápidamente.

"Implementamos el llamado sistema optomecánico de acoplamiento dispersivo, novedoso y emocionante por un lado debido a la miniaturización de la parte mecánica y los efectos de un solo electrón, pero bien conocido por otro lado, Dado que existe un enorme cuerpo de investigación teórica y experimental en sistemas optomecánicos más grandes (hasta escalas macroscópicas), "dice el Dr. Hüttel, actualmente en una estancia de investigación en la Universidad de Aalto, Finlandia. "La interacción optomecánica se puede utilizar para enfriar la vibración, para detectarlo de forma muy sensible, para amplificación de señales, o incluso para la preparación arbitraria de estados cuánticos. Nuestros resultados indican que el control cuántico de la vibración de nanotubos en forma de cuerda será alcanzable en un futuro próximo. Y eso lo hace muy atractivo como una especie de centralita cuántica, combinando fenómenos cuánticos muy diferentes ".