La fibra óptica en estado cuántico fundamental puede estar a la vuelta de la esquina

Una nueva investigación acerca más la posibilidad de llevar una fibra óptica al estado cuántico fundamental, lo que permitirá la realización de experimentos cuánticos con fonones y el alumbramiento de nuevas tecnologías cuánticas. ¿Una nueva propiedad emergente en puertas?

En todo el mundo, algunos investigadores han conseguido generar y controlar estados cuánticos en una amplia variedad de sistemas físicos diferentes, que abarcan desde partículas individuales de luz hasta moléculas complejas que comprenden miles de átomos.

Este control está permitiendo el desarrollo de nuevas y poderosas tecnologías cuánticas, como la computación y las comunicaciones cuánticas, y también ofrece caminos interesantes para probar los fundamentos de la física cuántica.

Sin embargo, ese estado cuántico fundamental aún no se ha hecho extensible para las fibras ópticas, especializadas en transmisión de luz (fotones), en las que también, hipotéticamente, podrían propagarse las ondas sonoras de alta frecuencia, inaugurando así la posibilidad de usar los fonones en tecnologías cuánticas.

Nuevo paso

Un nuevo paso en esa dirección ha sido conseguido ahora por un equipo de científicos del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, dirigido por la Dra. Birgit Stiller: ha enfriado las ondas sonoras viajeras en guías de ondas de una fibra óptica mucho más de lo que hasta ahora había sido posible utilizando luz láser.

Según informan los autores de este trabajo en un artículo publicado en Physical Review Letters, pudieron bajar la temperatura de una onda sonora en una fibra óptica inicialmente a temperaturas extremadamente bajas, lo que reduce su ruido térmico.

La longitud de la fibra óptica era de 50 cm y una onda sonora que se extendía sobre los 50 cm completos del núcleo de la fibra se enfrió a temperaturas extremadamente bajas.

Estado cuántico

Los científicos lograron reducir la temperatura inicial de los fonones acústicos en 219 K (194°C) diez veces más allá del récord conseguido en experimentos anteriores, sin necesidad de criostatos o enfriamiento externo, toda una novedad tecnológica respecto a los resonadores clásicos de intentos previos.

Eso significa que una plataforma muy grande y masiva, un objeto relativamente macroscópico, se puede llevar a un estado cuántico fundamental. Este logro representa un paso significativo hacia el objetivo final de alcanzar el estado fundamental cuántico del sonido en guías de ondas de una fibra óptica.

El enfoque experimental aplicado en esta investigación proporciona una comprensión más profunda de la transición de los fenómenos del sonido clásicos a los cuánticos y es relevante para los sistemas de comunicación cuánticos y las futuras tecnologías cuánticas, enfatizan los investigadores.

Primer paso

Este resultado es solo un primer paso, aunque emocionante, para conseguir el estado cuántico fundamental en las guías de ondas sonoras y la realización de experimentos cuánticos con fonones en fibras ópticas, destacan también los científicos.

Los fonones son paquetes de energía vibracional emitidos por átomos “nerviosos”. Son como la versión cuántica del sonido: representan la cantidad más pequeña de energía que se manifiesta como sonido o calor, dependiendo de sus frecuencias.

“Estos experimentos allanan el camino para explorar la transición clásica a cuántica para objetos macroscópicos y podrían permitir nuevas tecnologías cuánticas en términos de esquemas de almacenamiento y repetidores”, escriben los investigadores en su artículo.

Nuevo panorama

Se abre así un nuevo panorama de experimentos que permiten obtener una comprensión más profunda de la naturaleza fundamental de la materia, añaden.

También abre posibilidades a aplicaciones en nuevos esquemas de comunicaciones cuánticas e inéditas tecnologías cuánticas basadas en el uso del sonido como mediador en las interacciones entre fotones, concluyen los protagonistas de este desarrollo.

En esa línea, por ejemplo, este desarrollo puede permitir a otros científicos  de la Universidad de Chicago explorar la potencialidad de los fonones y de las ondas sonoras para desarrollar una nueva variedad de ordenadores cuánticos, que es en lo que ya están trabajando. O reforzar otra investigación que ha conseguido incluso contar partículas sonoras con un micrófono cuántico.

¿Nueva propiedad emergente?

A la vista de todo esto, podemos decir que estamos en plena eclosión de las así llamadas propiedades emergentes: son completamente inesperadas e incluyen fenómenos emergentes en los materiales o en el comportamiento emergente que se observa en los seres vivos y en los sistemas complejos. Incluso se piensa que la consciencia podría ser una propiedad emergente del cerebro.

Estas propiedades emergentes se entienden como un desarrollo ascendente de procesos que utilizan componentes de nivel inferior para lograr un propósito de nivel superior, como ha ocurrido con los fonones en la investigación del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz.

Estas propiedades emergentes pueden variar desde sistemas en ecología, bioquímica, cognición, microbiología y termodinámica. Cambiar fotones por fonones en el seno de una fibra óptica es otro ejemplo de propiedad emergente, como lo es también el perfeccionamiento de sistemas artificiales que imitan la inteligencia humana. ¿Hasta dónde se llegará en este proceso emergente?

LAURA BLÁZQUEZ MARTÍNEZ: “Queremos tecnologías fotónicas que sustituyan a las actuales tecnologías electrónicas”

Una de las científicas protagonistas de este desarrollo tecnológico es Laura Blázquez Martínez, primera autora del artículo científico publicado en Physical Review Letters, quien explica a T21 los entresijos de esta investigación.

¿Cuál es el objetivo final de este trabajo?

La idea fundamental es que queremos tener tecnologías fotónicas que substituyan a las actuales tecnologías electrónicas. Para construir una red o circuito necesitas ciertos bloques. Uno de ellos, las uniones, son cables de metal para los circuitos electrónicos y fibras ópticas para los fotónicos. Pero hacen falta muchas otras cosas, como memorias, amplificadores, etc. Lo que proponemos en el grupo es usar la interacción entre sonido/vibraciones mecánicas de la materia y luz para generar alguno de estos bloques.

¿Qué papel juega el sonido en este desarrollo?

No es que queramos hacer tecnologías cuánticas basadas únicamente en el sonido. La idea es usar el sonido como mediador en la interacción entre fotones, porque la interacción acusto-óptica tiene propiedades muy interesantes en lo que respecta a la fotónica cuántica (por ejemplo, es coherente). Es un dial de control más que le añadimos a la interacción entre fotones, lo que hace que las opciones de lo que se puede llegar a hacer aumenten.

¿Y la fibra óptica?

Lo que queremos hacer es intentar llevar la fibra óptica (una guía de onda) a su estado mecánico fundamental. Esto nos permite dos cosas: por un lado, aprender más cosas sobre las propiedades cuánticas de los fonones continuos. Ya se ha llevado al estado cuántico fundamental a sistemas mecánicos, pero por ahora ha sido siempre mediante resonadores, esto quiere decir que las vibraciones que se han estudiado son ondas estacionarias, como las cuerdas de una guitarra. Nuestros fonones no están confinados, lo cual implica que la física es un poco distinta.

¿Qué esperáis conseguir?

Tener el sistema mecánico en su estado cuántico fundamental nos permitirá hacer cosas como medir entrelazamiento entre fotones y fonones. Pero lo importante es que la motivación de todo esto es la fotónica cuántica, no la fonónica. La interacción acusto-óptica es la que hemos elegido para este fin, pero no queremos tecnologías basadas únicamente en sonido.

Y ¿qué pasa con los fonones?

Los fonones en general no se pueden aprovechar no tanto porque tengan muy poquita energía, sino porque la interacción con ellos suele ser muy débil y el efecto muy pequeño. Por eso todo esto se ha medido en resonadores primero, porque a fuerza de tener la luz y el sonido dando vueltas dentro del resonador millones de veces, la interacción acaba siendo medible. En nuestro caso, nuestra fibra óptica permitía tener una interacción tan grande, que en un solo paso por ella hemos podido medir tal enfriamiento. O, dicho de otra manera, la interacción era tan grande que hemos podido pasar mucha energía del sonido a la luz.

¿Siguiente paso?

Lo que podría estar a la vuelta de la esquina es llevar una fibra óptica al estado cuántico fundamental. Y luego este hecho permitiría la realización de comunicación fotónica cuántica mediante nuevas tecnologías basadas en la interacción entre luz y sonido.

Referencia

Optoacoustic Cooling of Traveling Hypersound Waves. Laura Blázquez Martínez et al. Phys. Rev. Lett. 132, 023603; 11 January 2024, DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.023603