La capacidad de transmitir información de forma coherente en la banda del espectro electromagnético desde el microondas al infrarrojo es de vital importancia para el desarrollo de las redes cuánticas avanzadas utilizadas en informática y comunicaciones.
Un estudio realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Campinas (Unicamp), en Brasil, en colaboración con colegas de la ETH Zurich (Suiza) y la TU Delft (Países Bajos), se centró en el uso de cavidades optomecánicas nanométricas para este fin. Estos resonadores a nanoescala promueven la interacción entre vibraciones mecánicas de alta frecuencia y luz infrarroja en longitudes de onda utilizadas por la industria de las telecomunicaciones.
Un artículo sobre el estudio se publica en la revista Nature Communications. .
"Los resonadores nanomecánicos actúan como puentes entre los circuitos superconductores y las fibras ópticas. Los circuitos superconductores se encuentran actualmente entre las tecnologías más prometedoras para la computación cuántica, mientras que las fibras ópticas se utilizan habitualmente como transmisores de información a larga distancia con poco ruido y sin pérdida de señal", afirmó Thiago Alegre, profesor del Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW-UNICAMP) y último autor del artículo.
Según Alegre, una de las innovaciones clave del estudio fue la introducción de la optomecánica disipativa. Los dispositivos optomecánicos tradicionales se basan en una interacción puramente dispersiva, donde sólo los fotones confinados en la cavidad se dispersan de manera eficiente. En la optomecánica disipativa, los fotones se pueden dispersar directamente desde la guía de ondas al resonador. "Como resultado, la interacción optoacústica se puede controlar más estrechamente", afirmó.
Antes de este estudio, la interacción optomecánica disipativa se había demostrado solo a bajas frecuencias mecánicas, lo que excluye aplicaciones importantes como la transferencia de estado cuántico entre los dominios fotónico (óptico) y fonónico (mecánico). El estudio demostró el primer sistema optomecánico disipativo que funciona en un régimen en el que la frecuencia mecánica supera el ancho de la línea óptica.
"Hemos conseguido aumentar la frecuencia mecánica en dos órdenes de magnitud y hemos conseguido multiplicar por diez la tasa de acoplamiento optomecánico. Esto ofrece perspectivas muy prometedoras para el desarrollo de dispositivos aún más eficaces", afirmó Alegre.
Fabricados en colaboración con TU Delft, los dispositivos fueron diseñados para utilizar tecnologías bien establecidas en la industria de los semiconductores. Se suspendieron haces de silicio nanométricos y se les permitió vibrar de modo que la luz infrarroja y las vibraciones mecánicas quedaran confinadas simultáneamente. Una guía de ondas colocada lateralmente y posicionada para permitir el acoplamiento de la fibra óptica a la cavidad dio lugar al acoplamiento disipativo, el ingrediente clave de los resultados presentados por los investigadores.
El estudio ofrece nuevas posibilidades para la construcción de redes cuánticas. Además de esta aplicación inmediata, sienta las bases para futuras investigaciones fundamentales. "Esperamos poder manipular modos mecánicos individualmente y mitigar las no linealidades ópticas en dispositivos optomecánicos", afirmó Alegre.
Más información: André G. Primo et al, Optomecánica disipativa en resonadores nanomecánicos de alta frecuencia, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41127-7
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
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