Los científicos han ideado una forma de construir un "metamaterial cuántico", un material diseñado con propiedades exóticas que no se encuentran en la naturaleza, utilizando átomos ultrafríos atrapados en un cristal artificial compuesto de luz. El trabajo teórico representa un paso hacia la manipulación de átomos paratransmitir información, realizar simulaciones complejas o funcionar como sensores potentes.
El equipo de investigación, dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab y UC Berkeley, propone el uso de un marco atómico similar a un acordeón, o estructura "enrejada", hecha con luz láser para atrapar átomosen bolsillos a nanoescala regularmente espaciados. Dicha estructura basada en la luz, que tiene características estampadas que de alguna manera se parecen a las de un cristal, es esencialmente una estructura "perfecta", libre de los defectos típicos que se encuentran en los materiales naturales.
Los investigadores creen que pueden determinar la ubicación de un llamado átomo de "sonda" en este cristal de luz, y sintonizar activamente su comportamiento con otro tipo de luz láser luz infrarroja cercana para hacer que el átomo tosa algo de suenergía bajo demanda en forma de una partícula de luz o fotón.
Este fotón, a su vez, puede ser absorbido por otro átomo de sonda en el mismo sitio de red o en otro diferente en una forma simple de intercambio de información, como palabras habladas que viajan entre dos latas conectadas a una cuerda.
"Nuestra propuesta es muy significativa", dijo Xiang Zhang, director de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab que dirigió el trabajo de investigación relacionado, publicado en abril en Cartas de revisión física . "Sabemos que la mejora y el control ultrarrápido de la emisión de un solo fotón se encuentran en el corazón de las tecnologías cuánticas, en particular el procesamiento de información cuántica, y esto es exactamente lo que hemos logrado aquí. Las propuestas anteriores pueden hacer uno u otro perono ambos simultáneamente "
Zhang también es profesor en UC Berkeley, director del Centro de Nanomanufactura Escalable e Integrado de la Fundación Nacional de Ciencias y miembro del Instituto Kavli Energy NanoScience en Berkeley Lab y UC Berkeley.
Pankaj K. Jha, investigador postdoctoral de UC Berkeley que es el autor principal del artículo y trabaja en el grupo de Zhang, dijo: "Ahora tenemos control sobre la velocidad de liberación de un fotón, por lo que podemos procesar ópticamente mucha información"más rápido y eficientemente transfiéralo de un punto a otro ". Otros científicos que contribuyeron a este trabajo incluyen a Michael Mrejen, Jeongmin Kim, Chihhui Wu, Yuan Wang y Yuri V. Rostovtsev.
Esta capacidad de liberar un fotón a velocidades rápidas y transmitirlo con bajas pérdidas de un átomo a otro, es un paso vital en el procesamiento de la información para el cálculo cuántico, que podría usar una matriz de estas liberaciones controladas de fotones para llevar a cabo complejoscálculos mucho más rápido de lo que es posible en las computadoras modernas.
Una computadora cuántica, que la industria tecnológica y la comunidad científica están persiguiendo con entusiasmo debido a su potencial para realizar cálculos más complejos de lo que es posible usando supercomputadoras modernas, podría aprovechar el extraño reino cuántico en el que no se aplican las reglas físicas normales.
Si bien las computadoras de hoy en día pueden almacenar información como bits binarios, ya sea unos o ceros, un compilador cuántico usaría "qubits" en los que un bit individual de información puede existir simultáneamente en múltiples estados. Estos qubits podrían tomar la forma de átomos,fotones, electrones, o incluso como una propiedad fundamental individual de una partícula, y aumentaría exponencialmente el número de cálculos que una computadora podría realizar en un instante.
La distribución no uniforme de los átomos ultrafríos en el cristal artificial es clave para este último estudio, dijo Jha. "Hace la diferencia crucial para crear un metamaterial cuántico 'perfectamente' sin pérdidas y reconfigurable", dijo, permitiendo elLa estructura óptica del cristal artificial para reconfigurarse de una geometría abierta forma hiperbólica a una cerrada elíptica a la misma frecuencia y con temporización ultrarrápida. Este cambio de forma controlable cambia drásticamente la velocidad a la que un átomo de sonda en elEl cristal artificial libera un fotón.
La última propuesta sugiere que es posible acelerar la velocidad a la que un átomo de sonda puede emitir un fotón desde nanosegundos, o billonésimas de segundo, a picosegundos, o billonésimas de segundo. Además, este proceso se considera importante "sin pérdidas ", lo que significa que los fotones no perderían nada de su energía en su estructura circundante como probablemente lo harían en un material tradicional. Esto supera un obstáculo hacia la computación cuántica y el procesamiento de la información.
Los átomos plantados en el cristal artificial también podrían ser inducidos a saltar de un lugar a otro. En este caso, los átomos podrían servir como portadores de información en una computadora cuántica o estar dispuestos como sensores cuánticos, dijo Jha.
Jha señaló que este último estudio combina la investigación de metamateriales con la ciencia de los "átomos fríos", que son átomos que se han ralentizado e incluso se han detenido mediante la luz láser, que en el proceso los enfría a temperaturas muy frías."Esta integración ha resuelto algunos de los desafíos pendientes para las plataformas metamateriales y supera a otros diseños en varios aspectos clave cruciales para las tecnologías cuánticas".
Los investigadores encontraron que los átomos de rubidio son ideales para este estudio, sin embargo, los átomos de bario, calcio y cesio también pueden quedar atrapados o plantados en el cristal artificial, ya que exhiben niveles de energía similares. Si bien se describe el cristal artificial utilizado en el estudiocomo unidimensional, Jha dijo que el mismo enfoque podría extenderse fácilmente para crear estructuras de cristal de metamateriales cuánticos bidimensionales y tridimensionales fuera de la luz.
Para realizar el metamaterial propuesto en un experimento real, Zhang y Jha dijeron que el equipo de investigación necesitaría atrapar varios átomos por sitio de red en el cristal artificial, y mantener esos átomos en la red incluso cuando están excitados por estados de mayor energía.
Zhang dijo: "Berkeley Lab ha sido líder en investigación innovadora en metamateriales, y este trabajo podría abrir nuevos ámbitos de oportunidades para las interacciones cuánticas de materia ligera, con aplicaciones atractivas en la ciencia de la información cuántica".
Jha agregó: "Creemos que la combinación de estos dos reinos contemporáneos de la ciencia ayudará a abordar los desafíos clave en ambos campos y abrirá una dirección de investigación completamente nueva en la interfaz de la fotónica cuántica y los materiales artificiales".
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. Y la Fundación Gordon y Betty Moore.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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