Acoplamiento cuántico de un fotón con un fonón

Por Francisco R. Villatoro, el 19 febrero, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica • Mecánica Cuántica • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 2

Dibujo20160219 A photon-phonon interface nature530284a-f1

En física cuántica las vibraciones mecánicas de un sólido se describen con fonones. A diferencia de un fotón, un fonón es un objeto cuántico macroscópico que puede estar formado por un billón de átomos. Se publica en Nature un sistema para escribir y leer fonones usando fotones. Se basa en acoplar los estados cuánticos de un fotón y de un fonón de forma similar a cómo se acoplan los de sendos fotones. Este logro optomecánico cuántico promete múltiples aplicaciones en el procesado de información cuántica que aprovechen el control fotónico de sistemas fonónicos.

Como bien sabrás, la luz tiene momento lineal y puede ejercer una fuerza (presión de radiación). Un único fotón que incida sobre un sistema micromecánico en vibración ejerce una fuerza que se puede interpretar como una interacción fotón-fonón. Un control delicado de este fenómeno permite el acoplamiento de los estados cuánticos del fotón y del fonón. No se ha logrado el entrelazamiento cuántico entre el fotón y el fonón, pero no tardará en lograrse.

El artículo es Ralf Riedinger et al., «Non-classical correlations between single photons and phonons from a mechanical oscillator,» Nature 530: 313–316 (18 Feb 2016), doi: 10.1038/nature16536. Más información en Miles Blencowe, «Quantum physics: Photons paired with phonons,» Nature 530: 284–285 (18 Feb 2016), doi: 10.1038/530284a.

Dibujo20160219 Optomechanical device nature16536-sf1

El sistema micromecánico que se ha usado está formado por una lengueta suspendida (nanobarra) de silicio (parte izquierda de esta microfotografía). Tiene unos 15 micrómetros de longitud, unos 500 nanómetros de ancho y unos 250 nanómetros de grosor. Se estima que tiene un billón de átomos de silicio. Sus vibraciones están cuantizadas y cada cuanto de vibración se llama fonón (su frecuencia es de 5,3 GHz).

Para controlar su vibración se usa una cavidad optomecánica (la parte derecha de la figura), con una frecuencia de resonancia de 1556 nm, en la que inciden fotones individuales emitidos por la luz de un láser en el infrarrojo cercano. Los fotones incidentes excitan la cavidad y se reflejan (scattering) permitiendo explorar los estados cuánticos del sistema.

Dibujo20160219 Generation and read-out of photon–phonon pairs nature16536-f1

El sistema optomecánico desarrollado permite la lectura y la escritura óptica de los estados micromecánicos de la lengueta. En modo escritura se usa un fotón con una frecuencia desplazada al azúl respecto a la frecuencia de resonancia de la cavidad optomecánica; como resultado se crea un fonón. En modo lectura se usa un fotón con una frecuencia desplazada al rojo que aniquila el fonón; la nanobarra relaja su vibración al punto cero (estado fundamental).

En el proceso de lectura/escritura hay fotones dispersados en la nanobarra. Un sistema de filtrado recoge estos fotones y los envía a un detector de correlaciones cuánticas entre fotones. Gracias a dicho sistema se puede verificar que los fotones de lectura y escritura están correlacionados. Más aún, exactamente como indica la física cuántica en el caso de que el fonón escrito y el leído sean el mismo fonón.

Dibujo20160219 Pulsed optomechanical interactions in frequency space nature16536-f1

Por supuesto, para estudiar estados cuánticos en un sistema micromecánico debe estar enfriado cerca del cero absoluto (25 milikelvin). ¿Cómo se sabe que la correlación entre los fotones y los fonones es cuántica? Se ha realizado una escritura seguida de una lectura. El análisis de la probabilidad conjunta de detectar el fotón de escritura y el fotón de lectura indica que existe una correlación cuántica entre ellos. Por tanto, ambos exploran un estado cuántico común en la nanobarra de silicio, es decir, el fotón de lectura ha leído el mismo fonón que creó el fotón de escritura. Una descripción clásica del proceso no permite entender las correlaciones observadas, luego su origen es cuántico.

Dibujo20160219 Mechanical quantum ground state preparation nature16536-f2

El experimento ha mostrado que el fonón tiene una vida media de un microsegundo. Es decir, que las correlaciones cuánticas se pueden observar incluso si el proceso de escritura y lectura se separa dicho intervalo de tiempo. Tras dicho intervalo de tiempo la vibración de la nanobarra se relaja y el estado tipo fonón decae al estado fundamental.

Por supuesto, el siguiente paso es demostrar el entrelazamiento entre un fotón y un fonón. Para ello habrá empezar incrementando la vida del fonón más allá de lo logrado hasta ahora. Cuando se logre se intentará el no va más, entrelazar los fonones de dos nanobarras vía un protocolo que use fotones. En principio nada lo impide. Entrelazar los estados cuántos de dos nanobarras cada una con billones de átomos.

Dibujo20160219 Detailed experimental set-up nature16536-sf2

¿Para qué queremos entrelazar fotones y fonones en el procesado de información cuántica? Los estados cuánticos en sistemas micromecánicos son mucho más robustos que en los sistemas microscópicos. Hasta ahora se excitaban los estados tipo fonón usando cubits superconductores (uniones SQUID). Sin embargo, el uso de fotones tiene muchas ventajas prácticas. Por ejemplo, los fotones se pueden enviar vía fibras ópticas en largas distancias. Por todo ello el nuevo logro promete facilitar el uso de los sistemas micromecánicos en el procesado de información cuántica.



2 Comentarios

  1. A ver si lo entiendo; por favor que alguien me corrija si digo una barbaridad:

    Por un lado tenemos una onda de presión, la cual, si nos fijamos a nivel atómico, la vibración que se va propagando por los átomos podemos describirla como si fuera una excitación del medio llamada fonón, es decir, como si de una partícula con sus propiedades cuánticas se tratara.
    Por otro lado tenemos el fotón, una partícula cuyo medio de trasmisión no es material (átomos) como el fonón, pero que al tener momento lineal (no tiene masa, pero sí energía, ya que se mueve a la velocidad de la luz) puede incidir en el medio donde se desplaza el fonón, por lo que obtenemos una interacción; en este caso un acoplamiento. Y en el futuro se espera obtener incluso entrelazamiento.

    Esto me parece brutal…me deja sin palabras…me pregunto si cada vez estamos más cerca de entender si realmente las propiedades cuánticas pueden afectar directamente de alguna forma las propiedades clásicas que no son más comunes.

    Impresionante.

  2. Cuando utilizo «trasmitir» en mi frase me refiero, obviamente, al carácter ondulatorio. Un fotón como partícula ligada a la onda electromagnética, se trasmite por el vacío, el carácter ondulatorio del fotón carece de sentido en un medio material.

    Si yo yo doy un puñetazo a la mesa, la onda de presión (estoy ahora en un contexto clásico), transcurre por la mesa y pasará al aire, aquí la onda se trasmite por un medio material, los átomos de la mesa, del aire, y también al de nuestros oídos. Una piedra en el agua genera otra onda de presión por el agua que vemos como una ola que se trasmite levantando el agua a su paso. Se trasmiten en medio material.
    Una pelota de tenis no se trasmite; se mueve por el aire, pero no se trasmite en el sentido de que aproveche los átomos del aire para rehacerse en cada momento.

    Un fonón sí se trasmite por un medio material, pues aprovecha los átomos del medio para ir formándose en cada instante y lugar. Un fotón, no puede aprovechar los átomos de nada para trasmitirse, un fotón es una excitación del campo electromagnético.

    Una onda electromagnética, es llamada onda porque comparte algunos aspectos similares a una onda clásica a la hora de detectarla, pero los fotones que que la componen, ni conforman una onda clásica propiamente dicha, ni conforman un grupo de partículas clásicas. Son otras cosas, pero usamos el mismo lenguaje.

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