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Descubren una nueva partícula que conecta microondas y luz y mejora la computación cuántica
Un equipo de investigadores de la Comisión Nacional de Energía Atómica y el Instituto Balseiro, junto a colegas de Alemania, demostraron la existencia del fonoriton, que permitirá una comunicación más rápida y eficiente entre los mundos de las microondas y la luz.
Publicado el miércoles 18 de octubre de 2023 – Ministerio de Economía / Energía / Comisión Nacional de Energía Atómica
En un artículo publicado recientemente en Nature Communications, investigadores del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN) de la Comisión Nacional de Energía Atómica y el Conicet, el Instituto Balseiro y el Paul-Drude-Institut de Berlín, Alemania, demostraron que la mezcla de fluidos cuánticos confinados de luz y sonido de GHz conduce a la aparición de una elusiva cuasipartícula fonoritónica: o sea una misteriosa partícula cuántica que combina luz y sonido de microondas. La llaman “fonoritón”, y es una mezcla de fotón (luz), fonón (sonido) y excitón (un componente en semiconductores).
“Hace varios años venimos estudiando maneras novedosas en cómo interactúa la luz con vibraciones, es decir cómo la luz ejerce fuerza sobre la materia, en sistemas resonantes. En este contexto hemos demostrado acoplamientos luz-sonido incrementados enormemente, lo cual abrió las puertas a indagar sobre nuevos fenómenos físicos. La posibilidad de demostrar la existencia del fonoriton, y su rol como intermediario en la conversión bidireccional de señales ópticas y de microondas, es una consecuencia de estos trabajos previos”, explica Alex Faintein, uno de los autores junto a Andrés Reynoso.
Este descubrimiento tiene un gran potencial para cambiar la forma en que se transfiere información entre el mundo de las microondas y la óptica, como por ejemplo la comunicación podría resultar más eficiente a través de estas tecnologías.
La inspiración para esta investigación provino de un fenómeno cotidiano: la transferencia de energía entre dos objetos que oscilan juntos, como dos péndulos acoplados. Los científicos aplicaron este concepto a la luz y el sonido cuánticos. Bajo condiciones específicas de acoplamiento, conocidas como el régimen de acoplamiento fuerte, la energía oscila continuamente entre los dos péndulos, que ya no son independientes, ya que sus frecuencias y tasas de decaimiento no son las de los osciladores no acoplados. Se asume en general que los dos péndulos tienen la misma frecuencia, es decir, están en resonancia. Sin embargo, los sistemas cuánticos híbridos requieren la transferencia coherente de información entre osciladores con frecuencias muy diferentes y a resolver, este es el escenario al que refiere el trabajo publicado en Nature Communications.
Una de las áreas emocionantes donde esto podría aplicarse es en la computación cuántica. Mientras que las computadoras cuánticas funcionan con microondas, la información cuántica se transmite mejor con fotones. La conversión directa entre estas dos formas de energía es ineficiente, pero el fonoritón podría servir como un intermediario eficaz.
Los cimientos teóricos para el acoplamiento fuerte entre la luz y los fonones fueron establecidos en 1982 por Keldysh e Ivanov, quienes predijeron que los cristales semiconductores pueden mezclar fotones y fonones a través de otra cuasipartícula: el excitón-polaritón (en adelante, polaritón). Los polaritones emergen del acoplamiento fuerte entre fotones y excitones. Cuando entra en juego un fonón, puede acoplar dos osciladores polaritónicos con frecuencias diferentes exactamente por la frecuencia del fonón. Si el acoplamiento es lo suficientemente grande conduce a la formación de una nueva cuasipartícula: el fonoritón, que es una mezcla de un excitón, un fotón y un fonón. Sin embargo, debido a los estrictos requisitos experimentales para la aparición de fonoritones, ha habido muy pocos informes sobre la formación de fonoritones.
El equipo de investigación se basó en teorías científicas sólidas, como la mencionada en el párrafo anterior, y creó estas cuasipartículas en un laboratorio, utilizando trampas especiales para amplificar su interacción. Luego, utilizaron un dispositivo para inyectar sonidos de microondas en el sistema y demostraron que podían controlar la transferencia de información de microondas a óptica y viceversa.
En relación al aporte que este descubrimiento hace al campo científico, Faintein resalta: “Creo que está fuera de toda discusión que el conocimiento científico ha transformado tanto la percepción que como seres humanos tenemos del mundo que nos rodea, como la manera de relacionarnos con el mismo. Nuestro mundo no sería lo que es si no se hubiera descubierto la penicilina. Pero tampoco si cada ser humano hoy en la tierra no tuviera una computadora poderosa e infinitamente interconectada (el celular) entre sus manos. Nuestro campo de trabajo se enmarca dentro de esta gran área de las tecnologías de la información. Que implica enormes oportunidades, y también desafíos. Oportunidades y desafíos que solo se podrán aprovechar sabiamente con educación.”
