Boceto que resume la creación de (1) un único fonón que viaja dentro de una guía de ondas (2), que luego se puede detectar (3) después de reflejarse en el extremo de la guía de ondas. Crédito:Laboratorio Gröblacher, TU Delft.
La mayoría de las tecnologías de computación cuántica se basan en la capacidad de producir, manipular y detectar estados de luz no clásicos. Los estados no clásicos son estados cuánticos que no pueden producirse directamente utilizando fuentes de luz convencionales, como lámparas y láseres, y por lo tanto no pueden ser descritos por la teoría del electromagnetismo clásico.
Estos estados no convencionales incluyen estados comprimidos, estados entrelazados y estados con una función de Wigner negativa. La capacidad de controlar de manera similar los estados de los sistemas fonónicos, aquellos que involucran acústica y vibración, podría abrir interesantes posibilidades para el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas, incluidos dispositivos para la detección cuántica y el procesamiento de información cuántica.
Investigadores del Instituto Kavli de Nanociencia de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) han introducido recientemente una estrategia que podría usarse para lograr un alto nivel de control sobre las guías de ondas fonónicas. Esta estrategia, descrita en un artículo publicado en Nature Physics , podría permitir el uso de guías de ondas fonónicas en la tecnología cuántica, de manera similar a como se usan hoy en día las fibras ópticas y las guías de ondas.
Las fibras ópticas y las guías de ondas se pueden utilizar para transmitir información cuántica codificada en fotones ópticos. Durante las últimas décadas, han sido componentes esenciales tanto para la tecnología cuántica como para la tecnología de comunicación clásica.
"La realización de componentes equivalentes a fibras ópticas y guías de ondas para excitaciones mecánicas tiene el potencial de revolucionar el incipiente campo de la acústica cuántica y la fonética", dijo a Phys.org Simon Gröblacher, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Estas guías de ondas fonónicas de baja pérdida no solo permitirán guiar y transmitir información (cuántica) codificada en fonones en decenas de centímetros en un chip, sino que formarán la base para un control coherente total sobre las excitaciones mecánicas viajeras".
El objetivo clave del trabajo reciente de Gröblacher y sus colegas fue idear un método para controlar estados mecánicos no clásicos en una guía de ondas fonónicas con fonones individuales en una microestructura de silicio suspendida. En última instancia, su objetivo es introducir una nueva caja de herramientas para llevar a cabo experimentos en el campo de la acústica cuántica, lo que a su vez permitiría a los físicos e ingenieros interactuar con los sistemas cuánticos de nuevas formas.
"Las ondas acústicas son fundamentalmente diferentes de la oscilación de átomos individuales o iones en trampas, debido a la gran masa asociada, su carácter de propagación y la posibilidad de acoplarse a una gran variedad de otros sistemas cuánticos como puntos cuánticos y qubits superconductores", Gröblacher, dijo. "Guiar fonones individuales es un paso crucial hacia la realización de dispositivos cuánticos híbridos y la transferencia de información cuántica a través de redes heterogéneas".
En los últimos años, el grupo de investigación de Gröblacher realizó numerosos experimentos centrados en dispositivos fonónicos. En sus estudios anteriores, pudieron crear, almacenar y detectar fonones individuales en dispositivos de cristal fotónico/fonónico, aprovechando las interacciones optomecánicas de presión de radiación.
Como parte de su estudio reciente, diseñaron y realizaron la primera guía de ondas fonónicas para producir excitaciones mecánicas viajeras no clásicas.
"Al fabricar la guía de ondas a partir de una película delgada de silicio, combinamos la guía de ondas con una fuente y un detector de estados mecánicos no clásicos y pudimos verificar la propagación de estos estados cuánticos en la guía de ondas", explicó Gröblacher. "Estas ondas acústicas a frecuencias de GHz se guían en una geometría de nanoescala altamente confinada, con una vida útil prolongada (hasta varios milisegundos), particularmente a bajas temperaturas, lo que permite el transporte fiel de estados cuánticos a distancias de centímetros en un chip".
En sus experimentos, Gröblacher y sus colegas demostraron que al propagarse en su guía de ondas, se conservan las correlaciones no clásicas que surgen de los fonones lanzados en diferentes momentos. Estas correlaciones no clásicas tenían una vida útil mecánica notable de aproximadamente 100 μs, lo que significa que, en teoría, su sistema podría usarse para transmitir fonones individuales en decenas de centímetros, sin pérdidas de energía significativas.
Los investigadores también demostraron que su guía de ondas podría usarse para realizar una memoria cuántica fonónica de tipo primero en entrar, primero en salir (FIFO). En el futuro, dicha memoria cuántica podría tener valiosas aplicaciones en telecomunicaciones y acústica cuántica.
© 2022 Red Ciencia X Investigadores realizan teletransportación cuántica sobre el movimiento mecánico de haces de silicio
