By: la Universidad de Stanford
A diferencia del revoltijo de frecuencias producidas por la luz que nos rodea en la vida diaria, cada frecuencia de luz en una fuente de luz especializada conocida como peine de frecuencia “solitón” oscila al unísono, generando pulsos solitarios con una sincronización constante.
Cada “diente” del peine es de un color de luz diferente , espaciado con tanta precisión que este sistema se utiliza para medir todo tipo de fenómenos y características. Las versiones miniaturizadas de estos peines, llamados microcombustibles, que están actualmente en desarrollo tienen el potencial de mejorar innumerables tecnologías, incluidos los sistemas GPS, telecomunicaciones, vehículos autónomos, rastreo de gases de efecto invernadero, autonomía de naves espaciales y cronometraje ultrapreciso.
El laboratorio de la ingeniera eléctrica de la Universidad de Stanford, Jelena Vučković, se unió recientemente a la comunidad de microcombustibles. “Muchos grupos han demostrado peines de frecuencia en chip en una variedad de materiales, incluido recientemente en carburo de silicio por nuestro equipo. Sin embargo, hasta ahora, las propiedades ópticas cuánticas de los peines de frecuencia han sido esquivas”, dijo Vučković, profesor de Jensen Huang de Liderazgo global en la Escuela de Ingeniería y profesor de ingeniería eléctrica en Stanford. “Queríamos aprovechar los antecedentes de óptica cuántica de nuestro grupo para estudiar las propiedades cuánticas del microcombustible solitón”.
Si bien se han fabricado microcombustibles de solitón en otros laboratorios, los investigadores de Stanford se encuentran entre los primeros en investigar las propiedades ópticas cuánticas del sistema, utilizando un proceso que describen en un artículo publicado el 16 de diciembre en Nature Photonics. Cuando se crean en pares, se cree que los solitones de micropene exhiben entrelazamiento, una relación entre partículas que les permite influirse entre sí incluso a distancias increíbles, lo que sustenta nuestra comprensión de la física cuántica y es la base de todas las tecnologías cuánticas propuestas. La mayor parte de la luz “clásica” que encontramos a diario no presenta enredos.
“Esta es una de las primeras demostraciones de que este peine de frecuencia miniaturizado puede generar luz cuántica interesante, luz no clásica, en un chip”, dijo Kiyoul Yang, científico investigador del Laboratorio de Fotónica Cuántica y Nanoescala de Vučković y coautor del artículo. . “Eso puede abrir un nuevo camino hacia exploraciones más amplias de la luz cuántica utilizando el peine de frecuencia y los circuitos integrados fotónicos para experimentos a gran escala”.
Demostrando la utilidad de su herramienta, los investigadores también proporcionaron evidencia convincente de entrelazamiento cuántico dentro del microcombustible solitón, que ha sido teorizado y asumido, pero aún no ha sido probado por ningún estudio existente.
“Realmente me gustaría ver que los solitones se vuelvan útiles para la computación cuántica porque es un sistema muy estudiado”, dijo Melissa Guidry, estudiante de posgrado en el Laboratorio de Fotónica Cuántica y Nanoescala y coautora del artículo. “Tenemos mucha tecnología en este momento para generar solitones en chips a baja potencia, por lo que sería emocionante poder tomar eso y demostrar que tienes entrelazamiento”.
Entre los dientes
El ex profesor de física de Stanford, Theodor W. Hänsch, ganó el Premio Nobel en 2005 por su trabajo en el desarrollo del primer peine de frecuencias. Para crear lo que estudió Hänsch se requieren equipos complicados del tamaño de una mesa. En cambio, estos investigadores optaron por centrarse en la versión “micro” más nueva, donde todas las partes del sistema están integradas en un solo dispositivo y diseñadas para caber en un microchip. Este diseño ahorra costes, tamaño y energía.
Para crear su peine en miniatura, los investigadores bombean luz láser a través de un anillo microscópico de carburo de silicio (que fue minuciosamente diseñado y fabricado utilizando los recursos de Stanford Nano Shared Facilities y Stanford Nanofabrication Facilities). Viajando alrededor del anillo, el láser aumenta la intensidad y, si todo va bien, nace un solitón.
“Es fascinante que, en lugar de tener esta máquina sofisticada y complicada, puedes simplemente tomar una bomba láser y un círculo realmente pequeño y producir el mismo tipo de luz especializada”, dijo Daniil Lukin, estudiante de posgrado en el Laboratorio de Fotónica Cuántica y Nanoescala. y coautor del artículo. Añadió que generar el microcombustible en un chip permitía un amplio espacio entre los dientes, lo que era un paso para poder observar los detalles más finos del peine.
Los siguientes pasos involucraron un equipo capaz de detectar partículas individuales de la luz y empacar el micro-anillo con varios solitones, creando un cristal de solitón. “Con el cristal de solitón , puede ver que en realidad hay pulsos de luz más pequeños entre los dientes, que es lo que medimos para inferir la estructura de entrelazamiento”, explicó Guidry. “Si estaciona sus detectores allí, puede observar bien el interesante comportamiento cuántico sin ahogarlo con la luz coherente que forma los dientes”.
Al ver que estaban realizando algunos de los primeros estudios experimentales de los aspectos cuánticos de este sistema, los investigadores decidieron intentar confirmar un modelo teórico, llamado modelo linealizado, que se usa comúnmente como un atajo para describir sistemas cuánticos complejos. Cuando realizaron la comparación, se sorprendieron al descubrir que el experimento coincidía muy bien con la teoría. Entonces, aunque aún no han medido directamente que su microcombustible tiene entrelazamiento cuántico, han demostrado que su desempeño coincide con una teoría que implica entrelazamiento.
“El mensaje para llevar a casa es que esto abre la puerta para que los teóricos hagan más teoría porque ahora, con este sistema, es posible verificar experimentalmente ese trabajo”, dijo Lukin.
Demostrar y usar el entrelazamiento cuántico
Los micropenales en los centros de datos podrían aumentar la velocidad de la transferencia de datos; en satélites, podrían proporcionar un GPS más preciso o analizar la composición química de objetos lejanos. El equipo de Vučković está particularmente interesado en el potencial de los solitones en ciertos tipos de computación cuántica porque se predice que los solitones estarán altamente entrelazados tan pronto como se generen.
Con su plataforma y la capacidad de estudiarla desde una perspectiva cuántica, los investigadores del laboratorio de fotónica cuántica y nanoescala mantienen la mente abierta sobre lo que podrían hacer a continuación. Cerca de la parte superior de su lista de ideas está la posibilidad de realizar mediciones en su sistema que prueben definitivamente el entrelazamiento cuántico.
