Un dispositivo nanométrico que acopla luz y movimiento mecánico tiene potencial para la informática cuántica
La manipulación de los efectos cuánticos en materiales es cada vez más potente, lo que permite crear dispositivos tecnológicos con un rendimiento y unas capacidades sustancialmente superiores. Recientemente, se ha confirmado que el tiempo de coherencia cuántica de electrones unidos a donadores en silicio es uno de los más largos. Concretamente, los átomos de impureza de fósforo en silicio son unos de los átomos más ampliamente estudiados que conservan su coherencia de espín, es decir, el tiempo que el estado cuántico tarda en ser destruido por el entorno. Información de espín convertida en señales luminosas Para construir un ordenador cuántico funcional es necesario controlar una gran cantidad de cúbits, así como leer y comunicar eficazmente los estados de cúbit. Las estructuras optomecánicas pequeñas podrían convertirse en una parte fundamental de los avances en información cuántica en un futuro próximo. «Los resonadores optomecánicos nanométricos pueden ser unos "transductores cuánticos" excelentes entre diferentes sistemas, como microondas y luz, o cúbits y luz; actuando, por ejemplo, como conducto de información cuántica entre estos sistemas independientes», indica el doctor Juha Muhonen, becario financiado de NAMESTRANSIS, un proyecto de las Acciones Marie Skłodowska-Curie. La motivación principal era crear un dispositivo optomecánico de silicio que permitiese acoplar el espín de electrón en el movimiento cuantizado de un resonador optomecánico nanométrico, donde el movimiento de su pequeña estructura se acopla, a su vez, en fotones ópticos. «La incrustación de átomos de impureza de fósforo en una oblea de silicio y la posterior codificación de información en el espín de los electrones asociados puede usarse para almacenar información cuántica», explica el doctor Muhonen. «Así, una interacción sólida de acoplamiento entre el movimiento mecánico del resonador y la luz podría ser responsable de la lectura y la comunicación de la información cuántica», añade Muhonen. Rendimiento incomparable El equipo del proyecto estudió un tipo especial de resonador optomecánico (una «cavidad de nanohaces de cristal fotónico laminado») que mostró la conversión de pequeños desplazamientos vibracionales en luz con una intensidad sin precedentes. Por tanto, el trabajo del proyecto no solo ha supuesto un reto teórico y práctico, sino que también ha sido gratificante. «Observamos que nuestro dispositivo optomecánico se comportaba de nuevas maneras que no coincidían con los modelos analíticos usados actualmente. Este fuerte acoplamiento optomecánico se atribuyó al hecho de que la cavidad puede confinar la luz a escalas mucho menores que la longitud de onda óptica. El sistema demostró efectos no lineales que afectaban particularmente a la respuesta óptica, la medición del desplazamiento mecánico y la presión de radiación», señala el profesor Verhagen, líder del grupo que llevó a cabo el proyecto. El equipo del proyecto reveló un nuevo método de medición del movimiento del resonador basado en pulsos rápidos de luz. «El uso de pulsos de luz muy rápidos permite a las mediciones eludir "la retroacción cuántica" y ofrece la posibilidad de probar la naturaleza cuántica del movimiento mecánico creando estados mecánicos no clásicos», explica el doctor Muhonen. Además, los pulsos rápidos de luz pueden hacer que los dispositivos sensores cuánticos sean aún más sensibles. O bien, podrían usarse para realizar lecturas de espín rápidas y precisas en el futuro transductor cuántico. La lectura y comunicación ópticas de estados de espín en silicio, así como la creación de estados mecánicos no clásicos son objetivos perseguidos desde hace tiempo por los investigadores de este campo. El proyecto demostró con éxito cómo el dispositivo nanométrico de silicio recién desarrollado puede medir pequeños movimientos mecánicos con una precisión elevada y que tiene un gran potencial para alcanzar estos objetivos. Aparte de la información cuántica, también se puede aplicar en sensores de fuerza, de gas y acelerómetros.
Palabras clave
NAMESTRANSIS, silicio, información cuántica, cúbits, acoplamiento, espín de electrón, resonador optomecánico, movimiento nanomecánico, informática cuántica, impureza de fósforo, detección cuántica
