Las interfaces atómico-lumínicas, clave de la tecnología cuántica
En la vida diaria, controlamos y manipulamos la luz con espejos, cables de fibra óptica y otros materiales para enviar información y realizar otras tareas. Los científicos se interesan cada vez más por lo que ocurre cuando interactuamos con la luz a escala atómica. «A esta escala, las interacciones se rigen por la mecánica cuántica, lo que puede dar lugar a comportamientos diferentes de los que cabría esperar basándonos en nuestras experiencias cotidianas», explica el coordinador del proyecto DAALI, Darrick Chang, del Instituto de Ciencias Fotónicas de España. «Existe un enorme interés por saber cómo estas interacciones podrían beneficiar a las tecnologías de la información y la computación que se basan en la mecánica cuántica».
Componentes básicos de las tecnologías de la información cuántica
Esta investigación se encuentra aún en una fase inicial. «Por ejemplo, la mejor puerta de fotones demostrada hasta la fecha (un componente básico para implementar la lógica y la computación cuántica) sigue fallando más veces de las que funciona», afirma Chang. Por esta razón el equipo del proyecto DAALI trató de lograr una mayor eficacia de las interacciones átomo-luz. Para ello, se centró en dos métodos relativamente nuevos y apasionantes. «El primero fue desarrollar plataformas disruptivas basadas en la interconexión de átomos con dispositivos nanofotónicos», explica Chang. «Los sistemas nanofotónicos ofrecen un excelente potencial de escalabilidad, mientras que la capacidad de confinar la luz en pequeñas regiones nos permite acercarnos a los límites últimos de las intensidades de interacción átomo-luz». El segundo objetivo del proyecto era explotar nuevos y potentes principios para las interacciones luz-materia, en particular el uso de las matrices ordenadas de átomos. «El uso de matrices densas y ordenadas nos permite aprovechar los fuertes efectos de interferencia en la dispersión de la luz», añade Chang. «Hasta la fecha, sin embargo, ha sido difícil desarrollar plataformas experimentales con matrices de átomos perfectas».
Ejecutar tareas cuánticas complejas
En cuanto a la nanofotónica, el equipo pudo acoplar átomos individuales a cavidades en modo de galería de susurros e implementar tareas cuánticas más complejas de lo que había sido posible hasta entonces. También se lograron avances importantes en la implantación de un nuevo tipo de interfaz, en la que los átomos se acoplan a guías de ondas de cristal fotónico. El equipo del proyecto ideó nuevas formas de realizar matrices perfectas de átomos para las aplicaciones ópticas cuánticas. «El equipo desarrolló el primer "microscopio cuántico de gas" para átomos de estroncio», señala Chang. «Se trata de una plataforma potencialmente poderosa no solo para la óptica cuántica, sino para otras áreas de la ciencia cuántica como la simulación cuántica». El equipo también desarrolló teorías para realizar cadenas cortas perfectas de átomos acoplados a un sistema nanofotónico, basadas en «expulsar» cualquier átomo que no pertenezca a una cadena perfecta.
Mejorar las interfaces cuánticas átomo-luz
Estos hallazgos podrían tener implicaciones importantes para las tecnologías cuánticas. «La luz es la única forma natural de comunicar información a larga distancia», afirma Chang. «Mejorar las interfaces cuánticas átomo-luz debería ser, por tanto, la piedra angular de cualquier revolución cuántica». Lograr que estos sistemas sean plenamente funcionales (por ejemplo, la implementación de una puerta de fotones que supere a los métodos anteriores) aún llevará tiempo. Sin embargo, Chang y su equipo creen firmemente en el potencial de estos sistemas nuevos y confían en que, con un esfuerzo continuado, en los próximos años sea plausible una mejor puerta de fotones. «El típico libro de texto de óptica cuántica actual nunca menciona la teoría de cómo los conjuntos de átomos, o los átomos acoplados a dispositivos nanofotónicos, interactúan con la luz», añade Chang. «Espero que estos sistemas cambien la forma de construir y pensar en las interfaces átomo-luz, y lo que podemos hacer con ellas. Si eso ocurre, tendremos que reescribir los libros».
Palabras clave
DAALI, atómica, cuántica, tecnologías, átomos, fotón, nanofotónica
