Investigadores de la Universidad Purdue han atrapado átomos alcalinos (cesio) en un circuito fotónico integrado, que se comporta como un transistor para fotones (la unidad de energía más pequeña de la luz), similar a los transistores electrónicos. Estos átomos atrapados demuestran el potencial de formar redes cuánticas basadas en circuitos nanofotónicos coherentes con átomos fríos. El equipo, dirigido por Chen Ling Hung, profesor asociado de física y astronomía en la Facultad de Ciencias de la Universidad Purdue, publicó sus hallazgos en la Sociedad Estadounidense de Física. Exploración física X.
“Hemos desarrollado una técnica para utilizar un láser para enfriar y atrapar átomos firmemente en un circuito nanofotónico integrado, donde la luz se propaga en un diminuto ‘cable’ fotónico o, más precisamente, en una onda. Guía que es 200 veces más delgada que un cabello humano “. explica Hung, quien también es miembro del Instituto Purdue de Ingeniería y Ciencia Cuántica. “Estos átomos se ‘congelan’ a -459,67 grados Fahrenheit, o sólo 0,00002 grados por encima del cero absoluto, y son esencialmente estacionarios. A esta temperatura fría, los átomos pueden ser capturados por un ‘haz tractor’ que pretende ser una guía de ondas fotónicas. y colocados en longitudes de onda de luz muy cortas, alrededor de 300 nanómetros, los átomos pueden interactuar con fotones de manera más eficiente en el Centro de Nanotecnología Burke. Con dispositivos de nanofabricación artística, damos forma a guías de ondas fotónicas de aproximadamente 30 micrones de diámetro (tres veces más pequeñas que un cabello humano) para girar dentro de un llamado resonador de microanillo e interactuar con los átomos atrapados “.
Un aspecto importante que el equipo ha demostrado en esta investigación es que el resonador de microanillo acoplado al átomo actúa como un “transistor” para fotones. Pueden utilizar estos átomos atrapados para controlar el flujo de luz a través de un circuito. Si los átomos están en el estado correcto, los fotones pueden viajar a través del circuito. Si los átomos están en cualquier otro estado, los fotones quedan completamente bloqueados. Cuanto más fuerte interactúan los átomos con el fotón, más eficiente es esta puerta.
“Hemos atrapado hasta 70 átomos que pueden acoplarse colectivamente con fotones y controlar su transmisión en un chip fotónico integrado”, dice Zinchao Zhu, un estudiante graduado en física y astronomía de Purdue. Chow también recibió la beca de disertación Blissand de este año.
Todo el equipo de investigación tiene su sede en la Universidad Purdue en West Lafayette, Indiana. Hung se desempeñó como investigador principal y supervisó el proyecto. Zhu realizó el experimento para atrapar átomos en un circuito integrado, diseñado y fabricado internamente por Tzu-Han Chang, ahora un ex postdoctorado que trabaja con el profesor Sunil Bhave en el Centro de Nanotecnología de Berk. Partes clave del experimento fueron realizadas por Chow y Hikaru Tamura, ex becario postdoctoral en Purdue en el momento de la investigación y ahora profesor asistente en el Instituto de Ciencia Molecular de Japón.
“Nuestra técnica, que describimos en detalle en el artículo, nos permite enfriar con láser muchos átomos en un circuito fotónico integrado. Una vez que muchos átomos quedan atrapados, emiten colectivamente una onda fotónica que puede interactuar con la luz que se propaga en la guía”. dice Zhou. “Esto es exclusivo de nuestro sistema porque todos los átomos son iguales y no se pueden separar, por lo que pueden emitir luz de la misma manera y sincronizarse en fase, lo que permite que los átomos se agrupen con la luz. Se les permite interactuar con la fuerza fuerte. Imagínese un barco que se mueve más rápido que cuando todos los remeros reman, en cambio, en un circuito fotónico, los emisores de estado sólido integrados no son “iguales” porque cada emisor es algo más difícil de producir coherencia de fase e interactuar con átomos más fríos, como por ejemplo. ya que los fotones pueden utilizar átomos fríos atrapados en un circuito para estudiar
La plataforma demostrada en esta investigación puede proporcionar un enlace fotónico para la futura computación cuántica distribuida basada en átomos neutros. También puede servir como una nueva plataforma experimental para estudiar las interacciones colectivas entre la luz y la materia y sintetizar gases atrapados degenerados cuánticos o moléculas ultrafrías.
“A diferencia de los transistores electrónicos utilizados en la vida cotidiana, nuestro circuito fotónico integrado acoplado a átomos obedece los principios de la superposición cuántica”, explica Hung. “Esto nos permite manipular y almacenar información cuántica en átomos atrapados, que son bits cuánticos conocidos como qubits. Nuestro circuito también puede transferir eficientemente información cuántica almacenada en fotones que pueden ‘volar’ a través de redes de cables y fibras fotónicas para comunicarse con otros. .Circuitos integrados acoplados por átomos o interfaces átomo-fotón Nuestra investigación muestra el potencial para construir redes cuánticas basadas en circuitos nanofotónicos integrados por átomos fríos.
El equipo ha estado trabajando en esta área de investigación durante varios años y planea continuar enérgicamente. Sus descubrimientos de investigaciones anteriores relacionados con este trabajo incluyen avances recientes, como la inclusión del método del ‘haz tractor’ como primer autor en 2023 y un chip fotónico con pendiente de aprobación en EE. UU. en 2022. Realización de un acoplamiento de fibra óptica altamente eficiente. Solicitud de patente. La exitosa demostración realizada por el equipo sobre el enfriamiento y la captura de átomos en un circuito de manera altamente eficiente ha abierto nuevas direcciones de investigación. El futuro de esta investigación es brillante y hay muchas vías por explorar.
“Hay varios próximos pasos prometedores para la alimentación”, afirma Hung. “Podemos disponer los átomos atrapados en una matriz ordenada con una guía de ondas fotónica. Estos átomos pueden acoplarse colectivamente a la guía de ondas mediante interferencia constructiva, pero no pueden irradiar fotones al espacio libre circundante debido a una interferencia destructiva. Nuestro objetivo es construir la primera plataforma nanofotónica. También se puede intentar hacer realidad la llamada ‘radiación selectiva’ propuesta por los teóricos en los últimos años para mejorar la fidelidad del almacenamiento de fotones en los sistemas cuánticos. Con las interacciones atómico-fotón podemos enfriar los átomos hasta una temperatura cercana al cero absoluto para que los átomos atrapados puedan formar un gas de condensados de Bose-Einstein que interactúan fuertemente con un mejor acoplamiento radiativo del resonador de microanillo”.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. (Subvención No. FA9550-22-1-0031) y la Fundación Nacional de Ciencias (Subvención No. PHY-1848316 y ECCS-2134931). Este trabajo fue publicado con el apoyo del Fondo Editorial de Acceso Abierto de Bibliotecas de la Universidad Purdue. La ciencia y la ingeniería cuánticas son una de las cuatro dimensiones de Purdue Compute, una iniciativa importante que permite a la universidad estar a la vanguardia con una excelencia a escala sin precedentes.
