La interacción selectiva de un dispositivo con los modos de propagación izquierda y derecha podría allanar el camino para el flujo de información direccional en la computación cuántica basada en circuitos superconductores

Por: Anton Frisk Kockum-Centro Wallenberg de Tecnología Cuántica, Universidad Tecnológica de Chalmers, Gotemburgo, Suecia

(APS)- Si una fuente emite una onda que se dispersa en un objeto y luego es medida por un detector, el principio de reciprocidad establece que la señal medida no cambiará si la fuente y el detector cambian de lugar. Esta simetría es una característica predominante en todos los sistemas físicos, pero para ciertas aplicaciones constituye un obstáculo. Por ejemplo, para crear un aislador, un dispositivo que permite que las señales pasen en una dirección pero no en la otra, se debe romper la reciprocidad. Dichos dispositivos no recíprocos, definidos por dirección preferencial o «quiralidad» en su emisión o absorción, son valiosos en muchos campos. Recientemente, se han implementado dispositivos no recíprocos en los circuitos eléctricos superconductores utilizados en la computación cuántica, pero todos han tenido inconvenientes.1 ]. Este diseño quiral podría usarse en redes cuánticas para permitir el control del flujo de información entre múltiples átomos artificiales acoplados a una guía de ondas.

Los circuitos superconductores son una de las plataformas más destacadas para la computación cuántica [ 2 ]. Pero se beneficiarían de tener componentes no recíprocos que podrían ayudarlos a mantenerse tranquilos y enrutar la información cuántica [ 2 – 5 ]. Trabajos anteriores han demostrado dispositivos no recíprocos que controlan la propagación de la luz visible utilizando átomos naturales y otros emisores de fotones individuales [ 3 ]. En ese trabajo, la luz se limita a una guía de ondas plana que limita la polarización de la luz a orientaciones específicas. Entonces se puede hacer que un átomo u otro emisor acoplado a la guía de ondas emita y absorba solo la luz que viaja en una dirección.

Sin embargo, esta configuración de luz visible no funciona para los circuitos superconductores y para las microondas de baja frecuencia a las que se acoplan [ 6 ]. Debido a que los átomos naturales no son emisores de microondas muy flexibles, los investigadores suelen utilizar átomos artificiales hechos de componentes superconductores dispuestos en un formato de circuito resonante. Al igual que los átomos reales, estos circuitos superconductores tienen estados fundamentales y estados excitados, que se pueden configurar para una aplicación deseada. El problema, sin embargo, es que el acoplamiento entre átomos artificiales y guías de ondas de microondas no ofrece la misma dependencia de polarización que en el caso visible [ 6 ]. Los investigadores han ideado otras estrategias, pero las interfaces quirales existentes para circuitos superconductores tienden a ser voluminosas, complejas o limitadas en otros aspectos [ 2].

Algunos esquemas de quiralidad propuestos y demostrados recientemente utilizan una «molécula gigante», que es un par de átomos artificiales acoplados [ 7 , 8 ]. Cada átomo está conectado a una guía de ondas en un punto separado. Los efectos de interferencia alteran la emisión y la absorción de cada átomo, lo que hace que se suprima o mejore la transmisión a través de la guía de ondas. Joshi y sus colegas tomaron esta idea y la simplificaron de tal manera que solo se necesita un átomo artificial como emisor. Diseñaron un átomo artificial que se acopla a una guía de ondas 1D en múltiples puntos separados por distancias de longitud de onda única, logrando una extensión del concepto de molécula gigante en la forma de un «átomo gigante» [9 , 10 ] .

Para lograr los efectos de interferencia requeridos utilizando un solo emisor, los investigadores no solo tuvieron que establecer el espacio entre los puntos de acoplamiento, sino también establecer la fase del acoplamiento en cada punto. Lo lograron mediante el uso de átomos artificiales superconductores adicionales como acopladores entre el átomo emisor y la guía de ondas. Usando un campo magnético, el equipo pudo sintonizar los átomos del acoplador de una manera que controlara efectivamente el acoplamiento entre el emisor y la guía de ondas. La fase relativa entre las modulaciones de los dos acopladores produjo la diferencia de fase crucial que permitió que la luz que se propagaba hacia adelante o hacia atrás pasara a través de la guía de ondas (Fig. 1 ) . La diferencia de fase en la modulación fue fácil de ajustar y, por lo tanto, la quiralidad de la interacción se pudo cambiar fácilmente de una dirección a la otra.

Los investigadores demostraron las propiedades de su dispositivo en una serie de experimentos. Primero, midieron la transmisión de una señal fotónica débil en resonancia con el átomo. Esta medición mostró que el acoplamiento a los fotones que se propagan hacia adelante o hacia atrás se redujo de fuerte a extremadamente pequeño a medida que variaba la fase relativa de las señales de modulación. A continuación, los investigadores aumentaron la fuerza de la señal de la sonda lo suficiente como para saturar la primera transición del átomo. En ese momento, observaron el llamado triplete de Mollow, un conocido fenómeno óptico-cuántico, demostrando así que la quiralidad de la interacción no se limitaba a trabajar para un solo fotón. Finalmente, probaron la transición entre el primer y el segundo estado excitado del átomo artificial, mostrando que el acoplamiento entre estos estados también podría hacerse quiral. También observaron cómo cambiaba la fase de los fotones de la sonda según el estado del átomo. Al hacerlo, se dieron cuenta de una puerta lógica cuántica entre el átomo y un fotón.

Un próximo paso natural sería demostrar que el nuevo dispositivo quiral puede transmitir más que un simple flujo de fotones de microondas. Por ejemplo, el equipo podría intentar transferir un estado cuántico de un átomo artificial a otro y viceversa. Tal demostración constituiría un paso importante hacia la construcción de grandes redes cuánticas con átomos artificiales superconductores. La implementación de una gran red requerirá suprimir aún más los canales de pérdida en la configuración y aumentar la fuerza de acoplamiento entre los átomos artificiales y la guía de ondas. Sin embargo, estas mejoras deberían ser bastante sencillas de realizar.

 

Referencias

  1. Joshi et al. , «Fluorescencia de resonancia de un átomo artificial quiral», Phys. Rev. X 13 , 021039 (2023) .
  2. Gu et al. , «Fotónica de microondas con circuitos cuánticos superconductores», Phys. Rep. 718-719 , 1 (2017) .
  3. Lodahl et al. , «Óptica cuántica quiral», Nature 541 , 473 (2017) .
JI Cirac et al. , «Transferencia de estado cuántico y distribución de entrelazamiento entre nodos distantes en una red cuántica», Phys. Rev. Lett. 78 , 3221 (1997) .
HJ Kimble, “La Internet cuántica”, Nature 453 , 1023 (2008) .
  1. Casariego et al. , «Propagación de microondas cuánticas: hacia aplicaciones en comunicación y detección», Quantum Sci. Tecnología 8 , 023001 (2023) .
CORREOS. Guimond et al. , «Una interfaz fotónica unidireccional en chip para circuitos superconductores», NPJ Quantum Inf. 6 , 32 (2020) .
  1. Kannan et al. , “Emisión direccional de fotones de microondas bajo demanda utilizando electrodinámica cuántica de guía de ondas”, Nat. física 19 , 394 (2023) .
AF Kockum, «Óptica cuántica con átomos gigantes: los primeros cinco años», Simposio internacional sobre matemáticas, teoría cuántica y criptografía 125 (2020) .
  1. Kannan et al. , «Electrodinámica cuántica de guía de ondas con átomos gigantes artificiales superconductores», Nature 583 , 775 (2020) .