Vea También
 |
| El diagrama ilustra la forma en que dos rayos láser de longitudes de onda ligeramente diferentes pueden afectar los campos eléctricos que rodean un núcleo atómico, empujando contra este campo de una manera que empuja el giro del núcleo en una dirección particular, como lo indica la flecha. Crédito: MIT |
Los fotones y los espines nucleares son elementos básicos bien conocidos de la ciencia y la tecnología de la información cuántica. Aunque crear una interfaz práctica entre fotones ópticos y espines nucleares es muy deseable para combinar estos dos sistemas cuánticos, hacerlo es difícil debido a las débiles interacciones que suelen tener los espines nucleares con su entorno y a la enorme distancia entre las frecuencias de espín nuclear y las frecuencias ópticas.
En un nuevo estudio, investigadores del MIT han propuesto un nuevo enfoque para fabricar qubits y controlarlos para que lean y escriban datos. La técnica, aún teórica, funciona empleando dos rayos láser de tonalidades ligeramente distintas para medir y manipular los espines de los núcleos atómicos.
En este proceso, la diferencia en la frecuencia de un rayo láser entrante coincide con las frecuencias de transición del espín nuclear, empujándolo a girar de una determinada manera.
En palabras de la profesora Paola Cappellaro: "Hemos encontrado una forma novedosa y potente de interconectar los espines nucleares con los fotones ópticos de los láseres. Este novedoso mecanismo de acoplamiento permite su control y medición, lo que hace mucho más prometedor el uso de espines nucleares como qubits".
Los científicos señalaron: "El proceso es completamente sintonizable. Por ejemplo, uno de los láseres podría sintonizarse para que coincidiera con las frecuencias de los sistemas de telecomunicaciones existentes, convirtiendo así los espines nucleares en repetidores cuánticos que permitieran la comunicación cuántica a larga distancia."
Los investigadores utilizaron para la nueva estrategia el cuadrupolo eléctrico que poseen muchos núcleos, lo que da lugar a una interacción cuadrupolar nuclear eléctrica con el entorno. La luz puede modificar esta interacción y alterar el estado interno del núcleo.
Según el profesor Ju Li, "el espín nuclear suele tener una interacción bastante débil. Pero aprovechando que algunos núcleos tienen un cuadrupolo eléctrico, podemos inducir este efecto óptico no lineal de segundo orden que se acopla directamente al espín nuclear sin ningún espín de electrón intermedio. Esto nos permite manipular el espín nuclear directamente".
Los científicos señalaron: "Entre otras cosas, esto puede permitir la identificación precisa e incluso la cartografía de isótopos de materiales, mientras que la espectroscopia Raman, un método bien establecido basado en la física análoga, puede identificar la química y la estructura del material, pero no los isótopos. Esta capacidad podría tener muchas aplicaciones".
"Dado que los fotones ópticos se utilizan para comunicaciones de larga distancia a través de redes de fibra óptica, la capacidad de acoplar directamente estos fotones a dispositivos de memoria cuántica o de detección podría aportar importantes ventajas en los nuevos sistemas de comunicaciones. Además, el efecto podría proporcionar una forma eficiente de traducir un conjunto de longitudes de onda a otro".
Haowei Xu, estudiante de doctorado del MIT, afirmó: "Estamos pensando en utilizar espines nucleares para la transducción de fotones de microondas y fotones ópticos. Esto puede proporcionar una mayor fidelidad a dicha transducción que otros métodos".
"Hasta ahora, el trabajo es teórico, así que el siguiente paso es aplicar el concepto en dispositivos reales de laboratorio, probablemente en un sistema espectroscópico. Éste puede ser un buen candidato para el experimento de prueba de principio. Después, abordarán dispositivos cuánticos como la memoria o los efectos de transducción".
Fuentes, créditos y referencias: