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La interacción selectiva de un dispositivo con los modos de propagación izquierdo y derecho puede allanar el camino para el flujo de información direccional en la computación cuántica basada en circuitos superconductores.
Si una fuente emite una onda que se propaga desde un objeto y luego es medida por un detector, el principio de reciprocidad establece que la señal medida permanecerá sin cambios si la fuente y el detector cambian de lugar. Esta simetría es una característica predominante en todos los sistemas físicos, pero para ciertas aplicaciones constituye un obstáculo. Por ejemplo, para crear un aislador, un dispositivo que permite que las señales pasen en una dirección pero no en la otra, se debe romper la reciprocidad. Estos dispositivos no recíprocos, los definidos por la dirección preferida o «quiralidad» en su emisión o absorción, son valiosos en muchos campos. Recientemente, se han implementado dispositivos no recíprocos en los circuitos eléctricos superconductores utilizados en la computación cuántica, pero todos han tenido inconvenientes. Ahora, Chaitali Joshi y sus colegas del Instituto de Tecnología de California han construido un dispositivo no recíproco más simple: un «átomo artificial» hecho de un circuito superconductor, que puede acoplarse de manera única a señales que se mueven hacia la izquierda o hacia la derecha en una guía de ondas de microondas. . [1]. Este diseño quiral se puede utilizar en redes cuánticas para permitir el control del flujo de información entre varios átomos artificiales acoplados a una guía de ondas.
Los circuitos superconductores son una de las plataformas más destacadas para la computación cuántica. [2]. Pero se beneficiarían de componentes no recíprocos que podrían ayudarlos a mantener la calma y transmitir información cuántica. [2–5]. El trabajo anterior ha demostrado dispositivos no recíprocos que controlan la propagación de la luz visible utilizando átomos naturales y otros emisores de fotones individuales. [3]. En este trabajo, la luz se limita a una guía de ondas plana que restringe la polarización de la luz a orientaciones específicas. Entonces se puede hacer que un átomo u otro emisor acoplado a la guía de ondas emita y absorba solo la luz que viaja en una dirección.
Sin embargo, esta configuración de luz visible no funciona para los circuitos superconductores y las microondas de baja frecuencia a las que se acoplan. [6]. Debido a que los átomos naturales no son emisores de microondas muy flexibles, los investigadores suelen utilizar átomos artificiales hechos de componentes superconductores dispuestos en forma de circuito resonante. Al igual que los átomos reales, estos circuitos superconductores tienen estados fundamentales y estados excitados, que se pueden configurar para una aplicación deseada. El problema, sin embargo, es que el acoplamiento entre átomos artificiales y guías de ondas de microondas no ofrece la misma dependencia de polarización que en el caso visible. [6]. Los investigadores han desarrollado otras estrategias, pero las interfaces quirales existentes para circuitos superconductores tienden a ser voluminosas, complejas o limitadas. [2].
Algunos esquemas de quiralidad propuestos y demostrados recientemente utilizan una «molécula gigante», que es un par de átomos artificiales acoplados. [7, 8]. Cada átomo está conectado a una guía de ondas en un punto separado. Los efectos de interferencia alteran la emisión y la absorción de cada átomo, lo que hace que se suprima o mejore la transmisión a través de la guía de ondas. Joshi y sus colegas tomaron esta idea y la simplificaron de modo que solo se necesita un átomo artificial como emisor. Diseñaron un átomo artificial que se acopla a una guía de ondas 1D en múltiples puntos separados por distancias de longitud de onda única, logrando una extensión del concepto de molécula gigante en forma de «átomo gigante». [9, 10].
Para obtener los efectos de interferencia necesarios utilizando un solo emisor, los investigadores no solo tuvieron que definir el espacio entre los puntos de acoplamiento, sino también establecer la fase de acoplamiento en cada punto. Lo lograron mediante el uso de átomos artificiales superconductores adicionales como acopladores entre el átomo emisor y la guía de ondas. Usando un campo magnético, el equipo pudo ajustar los átomos acopladores de tal manera que controlaran efectivamente el acoplamiento entre el emisor y la guía de ondas. La fase relativa entre las modulaciones de los dos acopladores produjo la diferencia de fase crucial que permite que la luz se propague hacia adelante o hacia atrás a través de la guía de ondas (Fig. 1). La diferencia de fase en la modulación era fácil de ajustar y, por lo tanto, la quiralidad de la interacción podía cambiarse fácilmente de una dirección a otra.
Los investigadores demostraron las propiedades de su dispositivo en una serie de experimentos. Primero, midieron la transmisión de una señal fotónica débil en resonancia con el átomo. Esta medición mostró que el acoplamiento de fotones de propagación hacia adelante o hacia atrás se redujo de fuerte a casi insignificante a medida que variaba la fase relativa de las señales de modulación. A continuación, los investigadores aumentaron la intensidad de la señal de la sonda lo suficiente como para saturar la primera transición del átomo. En ese momento, observaron el llamado triplete de Mollow, un conocido fenómeno óptico-cuántico, demostrando así que la quiralidad de la interacción no se limitaba a trabajar solo para un solo fotón. Finalmente, probaron la transición entre el primer y el segundo estado excitado del átomo artificial, mostrando que el acoplamiento entre estos estados también puede hacerse quiral. También observaron cómo cambiaba la fase de los fotones de la sonda según el estado del átomo. Al hacerlo, se dieron cuenta de una puerta lógica cuántica entre el átomo y un fotón.
Un próximo paso natural sería demostrar que el nuevo dispositivo quiral puede transmitir más que un simple flujo de fotones de microondas. Por ejemplo, el equipo podría intentar transferir un estado cuántico de un átomo artificial a otro y viceversa. Tal demostración constituiría un paso importante hacia la construcción de grandes redes cuánticas con átomos superconductores artificiales. La implementación de una gran red requerirá una supresión adicional de los canales de pérdida en la configuración y una mayor fuerza de acoplamiento entre los átomos artificiales y la guía de ondas. Sin embargo, estas mejoras deberían ser bastante sencillas de llevar a cabo.
Referencias
- c joshi y otra«Fluorescencia de resonancia de un átomo quiral artificial» Física Rev. X 13021039 (2023).
- X.Gu y otra“Fotónica de microondas con circuitos cuánticos superconductores”, representante de física 718-7191 (2017).
- P. Lodahl y otra“Óptica cuántica quiral”, Naturaleza 541473 (2017).
- JI Cirac y otra«Transferencia de estado cuántico y distribución de entrelazamiento entre nodos distantes en una red cuántica». Física Rev. Letón. 783221 (1997).
- HJ Kimble, “La Internet cuántica”, Naturaleza 4531023 (2008).
- M. Casariego y otra“Propagación cuántica de microondas: hacia aplicaciones en comunicación y detección”, Ciencia cuántica. Tecnología 8023001 (2023).
- POLVO. guimond y otra«Una interfaz fotónica unidireccional en chip para circuitos superconductores» Inf. cuántica NPJ 632 (2020).
- B. Kannan y otra“Emisión direccional de fotones de microondas bajo demanda usando electrodinámica cuántica de guía de ondas,” Nat. Físico 19394 (2023).
- AF Kockum, «Óptica cuántica con átomos gigantes: los primeros cinco años» Simposio Internacional de Matemáticas, Teoría Cuántica y Criptografía 125 (2020).
- B. Kannan y otra«Electrodinámica cuántica de guía de ondas con átomos gigantes artificiales superconductores» Naturaleza 583775 (2020).
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