Cuando los átomos se acercan demasiado, desarrollan interacciones intrigantes que podrían aprovecharse para crear nuevas generaciones de informática y otras tecnologías. Estas interacciones en el ámbito de la física cuántica han resultado difíciles de estudiar experimentalmente debido a las limitaciones básicas de los microscopios ópticos.

Ahora, un equipo de investigadores de Princeton, dirigido por Jeff Thompson, un profesor asistente de ingeniería eléctrica, ha desarrollado una nueva forma de controlar y medir átomos que están tan juntos que ninguna lente óptica puede distinguirlos.

Descrito en un artículo publicado el 30 de octubre en la revista Ciencias , su método excita átomos de erbio muy próximos en un cristal usando un láser finamente sintonizado en un circuito óptico de escala nanométrica. Los investigadores aprovechan el hecho de que cada átomo responde a frecuencias ligeramente diferentes, o colores, de luz láser, permitiendo a los investigadores resolver y controlar múltiples átomos, sin depender de su información espacial.

En un microscopio convencional, el espacio entre dos átomos desaparece efectivamente cuando su separación está por debajo de una distancia clave llamada límite de difracción, que es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz. Esto es análogo a dos estrellas distantes que aparecen como un solo punto de luz en el cielo nocturno. Sin embargo, esta es también la escala a la que los átomos comienzan a interactuar y dan lugar a un comportamiento mecánico cuántico rico e interesante.

"Siempre nos preguntamos en el nivel más fundamental:sólidos en el interior, dentro de los cristales, ¿qué hacen realmente los átomos? ¿Cómo interactúan? ", Dijo el físico Andrei Faraon, un profesor del Instituto de Tecnología de California que no participó en la investigación. "Este [artículo] abre la ventana para estudiar átomos que están en muy, muy cerca. "

El estudio de los átomos y sus interacciones a distancias diminutas permite a los científicos explorar y controlar una propiedad cuántica conocida como espín. Como una forma de impulso, El giro generalmente se describe como arriba o abajo (o ambos, pero esa es otra historia). Cuando la distancia entre dos átomos se vuelve cada vez más pequeña (meras mil millonésimas de metro), el giro de uno ejerce influencia sobre el giro del otro, y viceversa. A medida que los giros interactúan en este reino, pueden enredarse, un término que los científicos usan para describir dos o más partículas que están indisolublemente unidas. Las partículas enredadas se comportan como si compartieran una existencia, no importa lo lejos que se alejen más tarde. El entrelazamiento es el fenómeno esencial que separa la mecánica cuántica del mundo clásico, y está en el centro de la visión de las tecnologías cuánticas. El nuevo dispositivo de Princeton es un trampolín para que los científicos estudien estas interacciones de espín con una claridad sin precedentes.

Una característica importante del nuevo dispositivo de Princeton es su potencial para abordar cientos de átomos a la vez, proporcionando un rico laboratorio cuántico en el que recopilar datos empíricos. Es una bendición para los físicos que esperan descubrir los misterios más profundos de la realidad. incluida la naturaleza espeluznante del enredo.

Tal indagación no es meramente esotérica. Durante las últimas tres décadas, Los ingenieros han buscado utilizar los fenómenos cuánticos para crear tecnologías complejas para el procesamiento de la información y la comunicación. a partir de los bloques de construcción lógicos de las computadoras cuánticas emergentes, capaz de resolver problemas que de otro modo serían imposibles, a métodos de comunicación ultraseguros que pueden conectar máquinas en una Internet cuántica imposible de piratear. Para desarrollar aún más estos sistemas, los científicos necesitarán entrelazar partículas de manera confiable y explotar su entrelazamiento para codificar y procesar información.

El equipo de Thompson vio una oportunidad en el erbio. Utilizado tradicionalmente en láseres e imanes, El erbio no fue ampliamente explorado para su uso en sistemas cuánticos porque es difícil de observar, según los investigadores. El equipo hizo un gran avance en 2018, desarrollar una forma de mejorar la luz emitida por estos átomos, y para detectar esa señal de manera extremadamente eficiente. Ahora han demostrado que pueden hacerlo todo en masa.

Cuando el láser ilumina los átomos, los excita lo suficiente para que emitan una luz tenue a una frecuencia única, pero con la suficiente delicadeza para preservar y leer los giros de los átomos. Estas frecuencias cambian muy sutilmente según los diferentes estados de los átomos, de modo que "arriba" tiene una frecuencia y "abajo" tiene otra, y cada átomo individual tiene su propio par de frecuencias.

"Si tienes un conjunto de estos qubits, todos emiten luz a frecuencias muy ligeramente diferentes. Y así, al sintonizar el láser con cuidado a la frecuencia de uno o la frecuencia del otro, podemos abordarlos, aunque no tenemos la capacidad de resolverlos espacialmente, "Dijo Thompson." Cada átomo ve toda la luz, pero solo escuchan la frecuencia en la que están sintonizados ".

La frecuencia de la luz es entonces una representación perfecta del giro. Cambiar los giros hacia arriba y hacia abajo les da a los investigadores una forma de hacer cálculos. Es similar a los transistores que están encendidos o apagados en una computadora clásica, dando lugar a los ceros y unos de nuestro mundo digital.

Para formar la base de un procesador cuántico útil, estos qubits necesitarán dar un paso más.

"La fuerza de la interacción está relacionada con la distancia entre los dos giros, "dijo Songtao Chen, investigador postdoctoral en el laboratorio de Thompson y uno de los dos autores principales del artículo. "Queremos acercarlos para que podamos tener esta interacción mutua, y utilice esta interacción para crear una puerta lógica cuántica ".

Una puerta lógica cuántica requiere dos o más qubits entrelazados, haciéndolo capaz de realizar operaciones cuánticas de forma única, como calcular los patrones de plegamiento de proteínas o enrutar información en Internet cuántica.

Thompson, que ocupa un puesto de liderazgo en la nueva iniciativa de ciencia cuántica de 115 millones de dólares del Departamento de Energía de EE. UU., tiene la misión de poner a estos qubits a la altura. Dentro del impulso de materiales del Co-Design Center for Quantum Advantage, dirige las sub-qubits de informática y redes.

Su sistema de erbio, un nuevo tipo de qubit que es especialmente útil en aplicaciones de red, puede operar utilizando la infraestructura de telecomunicaciones existente, enviar señales en forma de luz codificada sobre dispositivos de silicio y fibras ópticas. Estas dos propiedades le dan al erbio una ventaja industrial sobre los qubits de estado sólido más avanzados de la actualidad, que transmiten información a través de longitudes de onda de luz visible que no funcionan bien con redes de comunicación de fibra óptica.

Todavía, para operar a escala, será necesario diseñar más el sistema de erbio.

Si bien el equipo puede controlar y medir el estado de giro de sus qubits sin importar lo cerca que estén, y utilizar estructuras ópticas para producir mediciones de alta fidelidad, todavía no pueden organizar los qubits según sea necesario para formar puertas de dos qubits. Para hacer eso, los ingenieros deberán encontrar un material diferente para albergar los átomos de erbio. El estudio fue diseñado con esta futura mejora en mente.

"Una de las principales ventajas de la forma en que hemos realizado este experimento es que no tiene nada que ver con el host en el que se encuentra el erbio, "dijo Mouktik Raha, un estudiante graduado de sexto año en ingeniería eléctrica y uno de los dos autores principales del artículo. "Siempre que pueda poner erbio en su interior y no se mueva, eres bueno para ir."