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) como un transistor electrónico. Estos átomos atrapados demuestran el potencial de crear una red cuántica basada en circuitos nanofotónicos integrados de átomos fríos. El equipo, dirigido por Chen-Lung 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 láseres para enfriar y atrapar átomos firmemente en un circuito nanofotónico integrado, donde la luz viaja a lo largo de un pequeño ‘cable’ fotónico o, más precisamente, una guía de ondas que es 200 veces más delgada que un cabello humano”. explicó Hung, quien también es miembro del Instituto Purdue de Ciencia e Ingeniería Cuántica. “Estos átomos están ‘congelados’ a menos 459,67 grados Fahrenheit, o apenas 0,00002 grados por encima del cero absoluto, y permanecen esencialmente estacionarios. A esta temperatura fría, los átomos pueden ser capturados por un ‘haz tractor’ dirigido a una guía de ondas fotónica y a Una distancia mucho más corta que la longitud de onda de la luz. A distancias de aproximadamente 300 nanómetros, los átomos pueden interactuar de manera muy eficiente con los fotones utilizando instrumentos de nanofabricación de última generación. Modelamos una guía de ondas fotónica circular de aproximadamente 30 micrones de diámetro. (La luz circulará dentro de un resonador llamado microanillo (tres veces más pequeño que un cabello humano) e interactuará con los átomos atrapados”.
El equipo demuestra un aspecto clave de esta investigación: este microanillo conectado a un átomo actúa como un “transistor” para fotones resonantes. Pueden utilizar estos átomos atrapados para controlar el flujo de luz a través del circuito. Si el átomo está en el estado correcto, el fotón puede transmitir a través del circuito. Si el átomo está en otro estado, el fotón queda completamente bloqueado. Cuanto más energéticos sean los átomos con los fotones, más efectiva será esta puerta.
“Atrapamos 70 átomos que podían acoplarse colectivamente a fotones y controlar su transmisión en un chip fotónico integrado. Esto no se había realizado antes”, dijo Jinchao Zhou, un estudiante graduado en física y astronomía de Purdue. Zhou recibió este año una beca de disertación Billsand.
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. Zhou realizó el experimento para atrapar átomos en el circuito integrado, que fue diseñado y construido internamente por Tzu-Han Chang, un ex postdoctorado que ahora trabaja con el profesor Sunil Bhav en el Centro de Nanotecnología Birck. Las partes críticas del experimento fueron establecidas por Zhou y Hikaru Tamura, ex postdoctorado en Purdue en el momento de la investigación y ahora profesor asistente en el Instituto de Ciencias Moleculares de Japón.
“Nuestra técnica, que describimos en detalle en el artículo, nos permite enfriar con láser de manera muy eficiente muchos átomos en un circuito fotónico integrado. Una vez que muchos átomos quedan atrapados, pueden interactuar colectivamente con la luz que se propaga en la guía de ondas fotónica”, dijo Zhou. “Esto es exclusivo de nuestro sistema porque todos los átomos son iguales e indistinguibles, por lo que pueden iluminarse de la misma manera y permitir que los átomos interactúen con la luz colectivamente con una fuerte energía. Cuando todas las filas están alineadas con asincronía, en Por el contrario, integrados en un circuito fotónico, los emisores de estado sólido rara vez son “iguales” porque cada emisor lo afecta para crear múltiples coherencias de fase sólida e interactuar colectivamente con fotones como átomos fríos. Podemos usar átomos fríos atrapados en circuitos para estudiar nuevos efectos colectivos. .
La plataforma demostrada en este estudio puede proporcionar un enlace fotónico para la futura computación cuántica distribuida basada en átomos neutros. Puede servir como una nueva plataforma experimental para estudiar las interacciones colectivas luz-materia y para sintetizar gases atrapados degenerados cuánticos o moléculas ultrafrías.
“A diferencia de los transistores electrónicos utilizados en la vida cotidiana, nuestro circuito fotónico integrado conectado por átomos obedece los principios de la superposición cuántica”, explica Hung. “Esto nos permite manipular y almacenar información cuántica en átomos atrapados, conocidos como bits cuánticos llamados qubits. Nuestro circuito puede transferir eficientemente la información cuántica almacenada en fotones que pueden comunicarse con otros a través de cables fotónicos y una red de fibra. Circuitos integrados acoplados a átomos o interfaz átomo-fotón. Nuestra investigación muestra la posibilidad de crear una red cuántica basada en circuitos nanofotónicos integrados de 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 éxitos recientes, como la realización del método del ‘haz tractor’ en 2023, que incluye a Zhu como primer autor y la realización de un acoplamiento de fibra óptica altamente eficiente en un chip fotónico en 2022 con un proyecto pendiente en Estados Unidos. Solicitud de patente. La exitosa demostración del equipo de cómo enfriar átomos de manera muy eficiente y atraparlos en un circuito ha abierto nuevas direcciones de investigación. El futuro de esta investigación es brillante y hay muchas vías por explorar.
“Hay varios próximos pasos prometedores que explorar”, afirmó Hung. “Podemos disponer los átomos atrapados en una matriz organizada a lo largo de la guía de ondas fotónica. Estos átomos pueden acoplarse coherentemente a la guía de ondas mediante interferencia constructiva, pero no pueden irradiar fotones al espacio libre circundante debido a interferencia destructiva. Nuestro objetivo es crear la primera plataforma nanofotónica. un sistema cuántico Realizar el llamado ‘brillo selectivo’ propuesto por los teóricos en los últimos años para mejorar la fidelidad del almacenamiento de fotones. Podemos intentar crear nuevos estados de materia cuántica en un circuito fotónico integrado para estudiar algunos y muchos átomos. “La temperatura del cero absoluto puede enfriarse cerca, de modo que los átomos atrapados puedan formar un gas de condensados de Bose-Einstein que interactúan fuertemente con un acoplamiento radiativo mejorado de los resonadores de microanillos”.
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 (Subvenciones Nos. 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 Computes, una importante iniciativa que permite a la universidad avanzar con una excelencia incomparable a escala.