Los nuevos esquemas basados ​​en superátomos de Rydberg colocados en cavidades ópticas se pueden utilizar para manipular fotones individuales con alta eficiencia

Por: Wenchao Xu y Vladan Vuletić-Laboratorio de Investigación de Electrónica, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA, EE. UU.

La última década ha sido testigo de un rápido progreso en el desarrollo y la aplicación de tecnologías cuánticas. Muchas direcciones prometedoras involucran el uso de fotones, los paquetes de energía de luz más pequeños, como portadores de información cuántica [ 1]. Los fotones en longitudes de onda ópticas pueden transportarse rápidamente a través de fibras ópticas a largas distancias y con un ruido insignificante, incluso a temperatura ambiente. Desafortunadamente, un inconveniente es que los fotones normalmente no interactúan entre sí, lo que dificulta manipular un fotón con otro fotón. Los fotones ópticos también se acoplan débilmente con otros sistemas cuánticos, como los qubits superconductores, lo que dificulta la conexión de estas plataformas con los fotones. Ahora, dos grupos de investigación, uno dirigido por Alexei Ourjoumtsev en la Universidad PSL, Francia, y el otro por Stephan Dürr y Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Alemania, demuestran esquemas completamente ópticos para realizar operaciones con fotones [ 2 , 3]. Los esquemas tienen potencial para construir componentes tanto para computadoras cuánticas fotónicas como para redes cuánticas.

Para lograr las interacciones controlables deseadas entre fotones individuales, se requiere una plataforma física que muestre una no linealidad óptica extremadamente grande, de modo que su respuesta óptica sea diferente para uno y dos fotones. Los átomos individuales, en principio, exhiben una gran falta de linealidad debido a un efecto llamado saturación (un átomo solo puede absorber un fotón a la vez). Sin embargo, el acoplamiento entre un solo átomo y un solo fotón es débil, lo que significa que una manipulación determinista de los fotones es imposible: un dispositivo lógico tendría una probabilidad incierta de realizar su función.

Los intentos recientes de mejorar este acoplamiento implican el uso de una cavidad óptica de alta calidad, donde un fotón que rebota entre los espejos tiene la oportunidad de interactuar varias veces con un átomo colocado dentro de la cavidad [ 4 ]. Sin embargo, las mejoras de acoplamiento considerables requieren espejos de muy alta calidad y esquemas de estabilización de cavidades, que son técnicamente difíciles de realizar. Estos desafíos han limitado hasta ahora la fuerza de acoplamiento alcanzable con átomos individuales.

Un segundo enfoque es generar un átomo artificial de dos niveles que comprenda muchos átomos: un superátomo. Uno de estos esquemas involucra a los átomos de Rydberg, que tienen uno de sus electrones más externos excitados a un estado con un gran número cuántico principal, y que pueden interactuar fuertemente entre sí en escalas micrométricas [ 5 ].]. Esta fuerte interacción significa que, en un conjunto de átomos, la excitación de un átomo a un estado de Rydberg puede bloquear la excitación de Rydberg de un segundo átomo, lo que permite la absorción de un solo fotón a la vez. En estas condiciones, todo el conjunto actúa como un superátomo, en el que la transición entre los estados fundamental y excitado tiene una sección transversal gigante para la absorción de un fotón. Sin embargo, si se empaquetan demasiados átomos en un volumen pequeño, las colisiones atómicas provocarán el desfase de la coherencia cuántica entre los dos estados del superátomo. Tal desfase limita la densidad máxima de los átomos y, por lo tanto, la fuerza de acoplamiento átomo-fotón alcanzable [ 6 ].

Para superar estas limitaciones, los equipos combinan los dos enfoques, colocando un superátomo de Rydberg dentro de una cavidad óptica. En ambos estudios, los investigadores utilizan haces de luz para manipular coherentemente el estado del superátomo dentro de la cavidad. Luego muestran que, dependiendo del estado del superátomo, la cavidad óptica manifiesta diferentes respuestas ópticas (Fig. 1 ). Si el superátomo permanece en su estado fundamental, los fotones pueden pasar a través de la cavidad, lo que muestra una alta transmisión. Pero si el superátomo está en su estado de Rydberg excitado, los fotones no pueden entrar en la cavidad y se reflejarán en su puerto de entrada. Tras la reflexión, la fase óptica de cada fotón se desplazará en π. Por lo tanto, este π-el cambio de fase se puede controlar cambiando el estado del superátomo.

Los dos estudios muestran que el sistema de cavidad del superátomo muestra características que permiten un control fiable y eficiente de los fotones. Primero, el estado del superátomo dentro de la cavidad óptica se puede determinar de forma no destructiva al monitorear la transmisión de fotones a través de la cavidad. El grupo de Ourjoumtsev demuestra que tal detección no destructiva se puede obtener en un solo disparo con una fidelidad del 95% [ 2 ]. Una detección rápida y no destructiva sería crucial para implementar la corrección de errores cuánticos. En segundo lugar, el π-El cambio de fase que está condicionado al estado del superátomo se puede aprovechar para realizar un componente lógico importante para las operaciones cuánticas: una puerta controlable de dos qubits.

El grupo de Dürr y Gerhard demuestra experimentalmente una de esas puertas: una puerta CNOT que cambia el estado de un qubit si y solo si el otro qubit está en su estado «1» [ 3]. Esta demostración fue un verdadero tour de force que eliminó muchas imperfecciones que pueden conducir a la pérdida del control o de los fotones objetivo. Como resultado, la compuerta demostrada presenta una eficiencia récord de más del 40 % (la eficiencia se define como la probabilidad de que la compuerta realice su operación), un valor más de 3 veces mayor que el récord anterior del 11 %. La eficiencia de la puerta es un cuello de botella clave para el desarrollo de la computación cuántica fotónica. La baja eficiencia significa que se necesitan hardware y operaciones adicionales para garantizar que la operación se ejecute con precisión. El avance en la eficiencia demostrado aquí reduciría significativamente la sobrecarga necesaria para el cálculo cuántico confiable.

Juntos, los resultados de los dos grupos fomentan la exploración de conceptos similares que podrían usarse en esquemas de computación cuántica óptica. Más allá de su potencial de computación, el control eficiente y preciso sobre los fotones logrado con esta plataforma de cavidad de superátomo de Rydberg constituye un paso importante hacia la realización de redes de comunicación cuántica de alta velocidad basadas en fotones intercambiados a través de fibras ópticas convencionales. En tales redes, el sistema cavidad-superátomo podría servir como una memoria cuántica o como un interruptor óptico que preserva la coherencia cuántica.

Finalmente, el nuevo sistema puede usarse como un transductor que conecta diferentes plataformas de información cuántica. Dicha transducción podría realizarse conectando la transición entre los estados fundamental y de Rydberg, que generalmente se encuentra en frecuencias ópticas, con transiciones entre los muchos estados de Rydberg para un átomo, que se encuentran en el rango de microondas desde unos pocos GHz hasta 100 GHz. Como tal, los superátomos de Rydberg podrían emplearse para convertir de manera coherente los fotones de microondas en fotones ópticos y viceversa. Esta funcionalidad abre caminos hacia nuevas tecnologías cuánticas híbridas que transducen información cuántica entre fotones ópticos y de microondas, que pueden acoplarse, respectivamente, a qubits atómicos y a qubits superconductores.

Referencias

TE Northup y R. Blatt, «Transferencia de información cuántica mediante fotones», Nat. Fotónica 8 , 356 (2014) .

  1. Vaneecloo et al. , “Superátomo intracavity Rydberg para ingeniería cuántica óptica: control coherente, detección de disparo único yπcambio de fase,” Phys. Rev. X 12 , 021034 (2022) .
  2. Stolz et al. , «Puerta de lógica cuántica entre dos fotones ópticos con una eficiencia promedio superior al 40%», Phys. Rev. X 12 , 021035 (2022) .
  3. Reiserer y G. Rempe, «Redes cuánticas basadas en cavidades con átomos individuales y fotones ópticos», Rev. Mod. física 87 , 1379 (2015) .

MD Lukin et al. , «Bloqueo de dipolos y procesamiento de información cuántica en conjuntos atómicos mesoscópicos», Phys. Rev. Lett. 87 , 037901 (2001) .

  1. Gaj et al. , «De los espectros moleculares a un cambio de densidad en los gases densos de Rydberg», Nat. común 5 , 4546 (2014) .