Pequeñas unidades de materia y química que son, los átomos constituyen el universo entero. Algunos átomos raros pueden almacenar información cuántica, un fenómeno importante para los científicos en su búsqueda continua de una Internet cuántica.
Una nueva investigación de científicos de la Universidad de California en Santa Bárbara y sus colegas holandeses explota un sistema que tiene el potencial de transferir información cuántica óptica a un formato cuántico de estado sólido almacenado localmente, un requisito de la comunicación cuántica. Los hallazgos del equipo aparecen en la revista Fotónica de la naturaleza .
"Nuestra investigación tiene como objetivo crear un análogo cuántico de la tecnología actual de fibra óptica en la que la luz se utiliza para transferir información clásica - bits con valores cero o uno - entre computadoras", dijo el autor Dirk Bouwmeester, profesor en el Departamento de UCSB deFísica: "Los átomos de tierras raras que estamos estudiando pueden almacenar las superposiciones de cero y una utilizada en la computación cuántica. Además, la luz por la cual nos comunicamos con estos átomos también puede almacenar información cuántica".
Los átomos están compuestos por un núcleo típicamente rodeado por capas internas llenas de electrones y, a menudo, tienen una capa externa de electrones parcialmente llena. Las propiedades ópticas y químicas de los átomos están determinadas principalmente por los electrones en la capa externa.
Los átomos de tierras raras como el erbio y el iterbio tienen la composición opuesta: una capa interna parcialmente llena rodeada de capas externas llenas. Esta configuración especial es lo que permite que estos átomos almacenen información cuántica.
Sin embargo, la composición única de los átomos de tierras raras conduce a transiciones electrónicas tan bien protegidas de los átomos circundantes que las interacciones ópticas son extremadamente débiles. Incluso cuando se implantan en un material huésped, estos átomos mantienen esas transiciones blindadas, que en principio pueden abordarseópticamente para almacenar y recuperar información cuántica.
Bouwmeester colaboró con John Bowers, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la UCSB e investigadores de la Universidad de Leiden en los Países Bajos para fortalecer estas interacciones débiles mediante la implantación de iterbio en anillos de almacenamiento óptico de muy alta calidad en un chip de silicio.
"La presencia del resonador de anillo óptico de alta calidad, incluso si no se inyecta luz, cambia las propiedades ópticas fundamentales de los átomos incrustados, lo que conduce a un aumento del orden de magnitud en la fuerza de interacción óptica con el iterbio".Bouwmeester dijo: "Este aumento, conocido como el efecto Purcell, tiene una dependencia intrincada en la geometría del confinamiento óptico de la luz".
Los hallazgos del equipo indican que las nuevas muestras actualmente en desarrollo en UCSB pueden permitir la comunicación óptica a un solo átomo de iterbio dentro de los circuitos ópticos en un chip de silicio, un fenómeno de gran interés para el almacenamiento de información cuántica. Los experimentos también exploran la forma en queEl efecto Purcell mejora la interacción óptica con un conjunto de unos cientos de átomos de tierras raras. La agrupación tiene propiedades colectivas interesantes que también se pueden explorar para el almacenamiento de información cuántica.
La clave es un efecto llamado eco de fotón, el resultado de dos pulsos de luz distintos, el primero de los cuales hace que los átomos en iterbio se exciten parcialmente.
"El primer pulso de luz crea un conjunto de átomos con los que 'hablamos' en un estado específico y llamamos a ese estado 'en fase' porque todos los átomos son creados al mismo tiempo por este pulso óptico", explicó Bouwmeester ".Sin embargo, los átomos individuales tienen frecuencias ligeramente diferentes debido al acoplamiento residual a los átomos vecinos, lo que afecta su evolución temporal y provoca decoherencia en el sistema. "La decoherencia es la incapacidad de realizar un seguimiento de cómo evoluciona el sistema en todos sus detalles".
"El truco es que el segundo pulso de luz cambia el estado del sistema para que evolucione hacia atrás, haciendo que los átomos regresen a la fase inicial", continuó. "Esto hace que todo sea coherente y hace que los átomos emitan colectivamente elluz que absorbieron desde el primer pulso "
La fuerza del eco de fotones contiene información importante sobre las propiedades fundamentales del iterbio en el material huésped. "Al analizar la fuerza de estos ecos de fotones, estamos aprendiendo sobre las interacciones fundamentales del iterbio con su entorno", dijo Bouwmeester."Ahora estamos trabajando para fortalecer el efecto Purcell al hacer que los anillos de almacenamiento que usamos sean cada vez más pequeños".
Según Bouwmeester, el cálculo cuántico debe ser compatible con la comunicación óptica para que la información se comparta y transmita. "Nuestro objetivo final es poder comunicarnos a un solo átomo de iterbio; entonces podemos comenzar a transferir el estado cuántico de un solofotón a un solo átomo de iterbio ", agregó." El acoplamiento del estado cuántico de un fotón a un estado sólido cuántico es esencial para la existencia de un Internet cuántico ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por Julie Cohen. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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