Un estudio allana el camino hacia el desarrollo de redes cuánticas avanzadas

Es una investigación realizada en la Universidad de Campinas, en Brasil, que se enfocó en el empleo de cavidades optomecánicas nanométricas como puentes entre circuitos superconductores y fibras ópticas. Sus aplicaciones comprenden la computación y la comunicación cuántica

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La transmisión de información en forma coherente, en la banda del espectro electromagnético comprendida entre las microondas y la luz infrarroja, es fundamental para el desarrollo de las redes cuánticas avanzadas que se emplean en la computación y en la comunicación. Un estudio a cargo de científicos de la Universidad de Campinas (Unicamp, Brasil), en colaboración con pares de la Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zúrich, Suiza), y de la Technische Universiteit Delft (TU Delft, Países Bajos), se enfocó en el uso de cavidades optomecánicas nanométricas con esa finalidad. Esos resonadores a escala nanométrica promueven la interacción de vibraciones mecánicas de alta frecuencia con luz infrarroja, en longitudes de onda utilizadas por la industria de telecomunicaciones.

Y el grupo de investigadores publicó un artículo al respecto en la revista Nature Communications.

“Los resonadores nanomecánicos actúan como puentes entre circuitos superconductores y fibras ópticas. Los circuitos superconductores constituyen en la actualidad una de las tecnologías más prometedoras para la computación cuántica, mientras que las fibras ópticas ya están consagradas como transmisoras de información a través de largas distancias, con poco ruido y sin pérdida de señal”, dice Thiago Alegre, docente del Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW-Unicamp) y coordinador del estudio.

El investigador informa que una de las innovaciones centrales de este estudio es la introducción de la optomecánica disipativa. Los dispositivos optomecánicos tradicionales dependen de interacciones puramente dispersivas. En estas, solamente los fotones confinados en la cavidad se dispersan eficientemente. En tanto, en el abordaje disipativo, los fotones pueden dispersarse directamente desde la guía de ondas hacia el resonador. “Esto hace posible tener un mayor control de la interacción optoacústica”, explica Alegre.

Hasta el estudio al que aquí se hace alusión, la interacción optomecánica disipativa solamente había sido demostrada a bajas frecuencias mecánicas, lo cual impedía aplicaciones importantes como la transferencia de estado cuántico entre dominios fotónicos (ópticos) y fonónicos (mecánicos). Este estudio mostró el primer sistema optomecánico disipativo operando en un régimen en el cual la frecuencia mecánica supera a la tasa de disipación óptica. “Logramos elevar en dos órdenes de magnitud la frecuencia mecánica e incrementar diez veces la tasa de acoplamiento optomecánico. Esto ofrece perspectivas muy prometedoras para el desarrollo de dispositivos aún más eficaces”, subraya el investigador.

Redes cuánticas

Los dispositivos, fabricados en colaboración con la TU Delft, se valen de tecnologías afianzadas en la industria de semiconductores en su diseño. Vigas nanométricas de silicio suspendidas y libres para vibrar hacen posible el confinamiento de la luz infrarroja y de vibraciones mecánicas simultáneamente. Junta, una guía de ondas ubicada para permitir el acoplamiento de la fibra óptica a la cavidad da origen al acoplamiento disipativo, un ingrediente fundamental para los resultados que mostraron los científicos.

Este estudio ofrece nuevas posibilidades para la construcción de redes cuánticas. Y aparte de este horizonte inmediato de aplicación, fija también una base para futuras investigaciones fundamentales. “Esperamos poder manipular individualmente los modos mecánicos y mitigar no linealidades ópticas en dispositivos optomecánicos”, culmina diciendo el profesor de la Unicamp.

Aparte de Alegre, el estudio contó con la participación de André Garcia Primo, Pedro Vinícius Pinho y Gustavo Silva Wiederhecker, de la Unicamp, Rodrigo da Silva Benevides, de la ETH Zúrich, y Simon Gröblacher, de la TU Delft. El trabajo recibió financiación de la FAPESP en el marco de siete proyectos (19/09738-9, 20/15786-3, 19/01402-1, 18/15577-5, 18/15580-6, 18/25339-4 y 22/07719-0).

Puede accederse a la lectura del artículo completo intitulado Dissipative Optomechanics in High-Frequency Nanomechanical Resonators en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41467-023-41127-7.