Descubren que los átomos funcionan como transistores fotónicos

Investigadores de la Universidad de Purdue han logrado un gran avance en el campo de la física cuántica al atrapar átomos de cesio en un circuito fotónico integrado. Este innovador experimento demuestra que los átomos atrapados pueden funcionar como transistores para fotones, de manera similar a cómo los transistores electrónicos controlan el flujo de electrones. Este descubrimiento podría ser crucial para el desarrollo de las esperadas redes cuánticas avanzadas.

El equipo de investigación, liderado por Chen-Lung Hung, profesor asociado de física y astronomía en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Purdue, ha publicado sus hallazgos en la revista Physical Review X. Hung y su equipo utilizaron técnicas avanzadas para enfriar y atrapar átomos de cesio en un circuito nanofotónico, donde la luz se propaga a través de una guía de ondas extremadamente delgada.

 "Hemos desarrollado una técnica para utilizar láseres para enfriar y atrapar firmemente átomos en un circuito nanofotónico integrado, donde la luz se propaga en un pequeño 'cable' fotónico, o más precisamente, una guía de ondas que es más de 200 veces más delgada que un cabello humano", explica Hung. Los átomos se enfrían a temperaturas apenas por encima del cero absoluto, lo que los hace prácticamente inmóviles. A esta temperatura, los átomos pueden ser capturados y colocados sobre una guía de ondas fotónica, permitiendo una interacción eficiente con los fotones confinados.

Utilizando herramientas de nanofabricación de última generación, el equipo modeló la guía de ondas fotónica en una forma circular con un diámetro de aproximadamente 30 micrones, creando un resonador de micro-anillo. La luz circula dentro del resonador y interactúa con los átomos atrapados, funcionando como un transistor que puede bloquear o permitir el paso de los fotones según el estado de los átomos.

El resonador de micro-anillo acoplado a los átomos atrapados puede bloquear el flujo de luz a través del circuito. Si los átomos están en el estado adecuado, los fotones pueden transmitirse; de lo contrario, son bloqueados. "Hemos atrapado hasta 70 átomos que pueden bloquear colectivamente la transmisión de fotones en un chip fotónico integrado. Esto no se había logrado antes", señala Xinchao Zhou, estudiante de posgrado en Física y Astronomía de Purdue.

La técnica desarrollada permite enfriar eficientemente muchos átomos y atraparlos en un circuito fotónico, donde pueden interactuar colectivamente con la luz. Esta coherencia de fase o relación de fase constante es única, ya que todos los átomos son iguales e indistinguibles, permitiendo una interacción más fuerte y coordinada con los fotones. Este fenómeno es difícil de replicar con emisores de estado sólido integrados en circuitos fotónicos.

La plataforma demostrada en esta investigación tiene el potencial de servir como un enlace fotónico para la computación cuántica distribuida basada en átomos neutros. También podría ser utilizada para estudiar nuevas interacciones colectivas luz-materia y para sintetizar gases cuánticos degenerados o moléculas ultrafrías. "Nuestro circuito fotónico integrado acoplado a átomos obedece a los principios de superposición cuántica, permitiendo manipular y almacenar información cuántica en átomos atrapados", añade Hung.

El descubrimiento de que los átomos atrapados pueden funcionar como transistores fotónicos abre nuevas posibilidades para la construcción de redes cuánticas basadas en circuitos nanofotónicos integrados de átomos fríos. Este avance no solo representa un hito en la física cuántica, sino que también sienta las bases para futuras aplicaciones en la computación y comunicación cuántica.

La comprensión y aplicación de la interacción entre átomos y fotones, allanan el camino para el desarrollo de tecnologías cuánticas avanzadas que podrían transformar la forma en que procesamos y transmitimos información. @mundiario