Un anillo de Aharonov-Bohm para fotones confinados

Por Francisco R. Villatoro, el 4 febrero, 2017. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica Cuántica • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 9

Dibujo20170204 the unit cell for FQH and synthesizing magnetic fields nphys3930-f1

Los anillos de Aharonov-Bohm ilustran la interacción de cuasipartículas y campos magnéticos. Los fotones no tienen carga eléctrica luego no les afectan los campos magnéticos. Pero los fotones confinados son cuasipartículas que pueden interaccionar con los campos magnéticos. Por ello se puede desarrollar un anillo de Aharonov-Bohm para fotones confinados. En este anillo se propogan fotones en un sentido y huecos de fotones en el sentido contrario, igual que en un anillo de electrones se propagan electrones y huecos.

Una unión Josephson está formada por dos superconductores que actúan como placas de un condensador y entre los que hay corrientes que fluyen de una a otra y viceversa. Así se forman oscilaciones confinadas del campo electromagnético, es decir, fotones confinados cuyos estados se comportan como cubits. Estas cuasipartículas de tipo fotón se pueden estudiar en un régimen cuántico usando un anillo de Aharonov-Bohm. Por tanto, son tan parecidas a un fotón individual en el vacío como pueda serlo una cuasipartícula, pero responden a campos magnéticos. En un anillo con varias uniones Josephson se puede lograr con campos magnéticos  que los fotones confinados pasen de una unión a otra a saltos por efecto túnel, como hacen los electrones en un anillo de Aharonov-Bohm.

El futuro de los anillos de Aharono-Bohm será lograr el efecto Hall cuántico fraccionario usando fotones confinados. Gracias a él serán útiles para desarrollar puertas lógicas en computación cuántica topológica, que promete gran robustez ante la decoherencia. Pero para ello se requieren anillos con decenas de uniones Josephson. El artículo que ha logrado los primeros anillos de tres uniones es P. Roushan, C. Neill, …, J. Martinis, “Chiral ground-state currents of interacting photons in a synthetic magnetic field,” Nature Physics 13: 146–151 (2017), doi: 10.1038/nphys3930, arXiv:1606.00077 [quant-ph]; nos lo explica muy bien Ady Stern, “Quantum optics: Photons taught new tricks,” Nature Physics 13: 110–111 (2017), doi: 10.1038/nphys3948.

Dibujo20170204 device architecture nphys3930-sf1

En al anillo de Aharonov-Bohm las uniones Josephson se comportan como cubits para fotones confinados, los también llamados transmones. El estado |1> u ocupado del cubit corresponde a la presencia de un fotón confinado; su estado |0> o desocupado corresponde a la ausencia de un fotón confinado. Igual que los electrones en un anillo de Aharonov-Bohm saltan de un cubit a otro mediante efecto túnel. En el anillo de fotones confinados hay acopladores que permiten que los fotones confinados salten de un cubit a otro por el equivalente a un efecto túnel.

Dibujo20170204 Signature of strong interaction nphys3930-f3En el anillo de tres cubits (o transmones) que se ha fabricado, un único fotón (confinado) se mueve a saltos en la dirección contraria a las agujas del reloj; pero un único hueco fotónico (dos fotones en el anillo) se mueven a saltos en la dirección de las agujas del reloj. Este movimiento en dirección contraria de los fotones y los huecos (fotónicos) bajo la aplicación de un campo magnético es una demostración de que estos fotones confinados en el anillo de Aharonov-Bohm se comportan como cuasipartículas cuánticas individuales.

Dibujo20170204 Single-photon circulation resulting from the TRS breaking nphys3930-f2

En el experimento se usan fotones en el régimen de microondas. En ausencia de campo magnético externo, un fotón se encuentra en un cubit determimado. Como ilustra la figura del medio, curva azul, la probabilidad de que el fotón se encuentre en el primer cubit Q1 oscila alcanzando la unidad cuando la probabilidad de que esté en los cubits Q2 y Q3 es cero; pero durante la oscilación alcanza una probabilidad mínima, en que su probabilidad de encontrarse en los otros dos cubits Q2 y Q3 es igual a un medio. Cuando se aplica un campo magnético, el fotón confinado se mueve por el anillo, alcanzándose una probabilidad cercana a la unidad de que se encuentre de forma sucesiva en los cubits Q1, Q2 y Q3, como ilustran las figuras de arriba y abajo.

Dibujo20170204 nine cubit aharonov-bohm ring nphys3930-sf9

El objetivo futuro de los investigadores es estudiar el efecto Hall cuántico fraccionario (FQH) usando fotones confinados. Para ello hay que fabricar un anillo de Aharonov-Bohm con más transmones. Se ha fabricado un anillo con 9 cubits, pero su comportamiento es deficiente, ya que los acopladores entre transmones no funcionan todo lo bien que exige el experimento. Habrá que mejorar su comportamiento en los próximos años. Poder observar el efecto FQH permitirá desarrollar nuevas puertas lógicas cuánticas robustas basadas en fotones, ya que los estados FQH se comportan como aniones no abelianos y las técnicas de trenzado (braiding) prometen una gran robustez ante la decoherencia.

En resumen, un trabajo muy interesante con un futuro muy halagüeño. Habrá que estar al tanto de futuros avances en esta línea. Lo que se suele llamar simulación cuántica con fotones.



9 Comentarios

  1. Es realmente increíble lo que el ser humano es capaz de lograr con la ayuda de la ciencia y la tecnología. También es cierto que a veces uno tiene una sensación agridulce: por un lado es evidente que el avance de la ciencia es continuo e imparable, por otro, siempre parece que los grandes avances están a décadas de distancia: los computadores cuánticos, la fusión nuclear, los viajes espaciales, la inteligencia artificial, la nanotecnología, etc, etc. Lógicamente todos los que aquí estamos queremos ver resueltos al menos alguno de los grandes enigmas de la Física a lo largo de nuestra vida: la materia oscura, la energía oscura, la naturaleza y dimensiones del espacio-tiempo, etc y por ello muchas veces tenemos la sensación de que la ciencia avanza muy despacio. Por otro lado creo que también influye que nuestro cerebro olvida muy rápidamente el pasado: hace un par de décadas nadie tenía móviles ni internet, hace 3 los ordenadores tenían 48k de memoria RAM y 2Mhz de frecuencia de CPU y las televisiones eran en blanco y negro ¿Realmente la ciencia y la tecnología avanza despacio? Por otro lado hay una enorme brecha entre teoría y experimento (evidentemente la primera es mucho más barata): mientras que la segunda se ha atascado en el Modelo Estándar la primera ya ha “visualizado” Matemáticamente mundos mucho más allá de lo que la mente humana es capaz de visualizar, lo realmente increíble es que hay indicios muy sólidos de que alguno de estos “mundos Matemáticos extraños” es realmente el nuestro, el Universo que habitamos. Parece que nuestra ingenua imagen de un Big-Bang inicial y un espacio-tiempo 4D expandiéndose es solo una burda aproximación a una estructura del espacio-tiempo mucho más rica y compleja. La pregunta es: ¿Llegaremos pronto a encontrar esta estructura? ¿Podremos entenderla en términos “cotidianos? ¿Podremos aprovecharla tecnológicamente? ¿La gente ajena a la ciencia seguirá prefiriendo “Gran Hermano” una vez que esto suceda? 🙂
    PD: Perdón por mis “sermones Domingueros semi off-topic”, entre diario apenas puedo comentar…

      1. XD

        Profecía pesimista: Sí, seguirá prefiriendo “reality” shows (reality, jeje, ¿no es irónico?) estilo “Hermano de Gran Unificación” o “Survivor: Hypercube” o a lo sumo comedias como “That ’50s Big Bang Theory Show” 🙂

        Por cierto, los ordenadores usados para crear los fantásticos gráficos de Tron (1982) tenían 2 MB de RAM y 330 MB de disco. ¿No es increíble?

        1. Lo increíble, Pelau, es lo contrario; las máquinas que tenemos en casa para hacer lo que hacemos; el hardware y software se va complicando exponencialmente para simplemente estar en las redes sociales, escribir y jugar. Y el talento de los jóvenes se vuelca en formas de ganar dinero con la información de los demás, bots y engaños varios.

          1. Cierto. No es sólo que el hardware de antaño obligaba a programar bien (porque no podía correr FATware, lo opuesto a SOFTware según mi diccionario), sino que además antes se programaba con una filosofía de optimización que se ha perdido. KolibriOS es una prueba (y hay otras) de lo distinta que podría haber sido la historia…

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