A diferencia de estudios previos, este nuevo trabajo logra generar entrelazamiento fotón-fonón a temperatura ambiente, sin necesidad de enfriamiento criogénico, y utilizando guías de onda Brillouin en régimen de pulsos. Además, evita la preparación inicial del estado cuántico base, simplificando el proceso y abriendo posibilidades para aplicaciones cuánticas en condiciones normales.
Entrelazan luz y sonido. Fuente: CharGPT / Eugenio Fdz. - Entrelazan luz y sonido
Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
16.11.2024
El entrelazamiento cuántico ha sido una de las piedras angulares para el desarrollo de tecnologías emergentes. Este fenómeno describe cómo dos sistemas cuánticos permanecen correlacionados independientemente de la distancia entre ellos, ha permitido la investigación de aplicaciones como la computación cuántica, la criptografía y la comunicación cuántica. Sin embargo, generar estados entrelazados robustos a temperatura ambiente sigue siendo un desafío considerable, especialmente cuando se trata de sistemas híbridos que combinan diferentes grados de libertad cuántica, como luz y sonido.
En un avance reciente publicado en Physical Review Letters, un grupo de investigadores del Instituto Max Planck y la Universidad de Erlangen-Núremberg ha logrado generar entrelazamiento entre fotones y fonones en un sistema sólido activo Brillouin. Utilizando guías de onda de última generación, los científicos aplicaron pulsos de bombeo óptico para excitar procesos Brillouin, logrando una forma de entrelazamiento resistente a las fluctuaciones térmicas. Este avance representa un paso significativo en la exploración de sistemas cuánticos híbridos y abre nuevas posibilidades para aplicaciones cuánticas a temperatura ambiente.
Entrelazamiento cuántico en sistemas híbridos
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno donde dos partículas, o sistemas, comparten un estado cuántico común, de modo que la medición de una afecta instantáneamente a la otra, independientemente de la distancia que las separe. Esto ha sido ampliamente utilizado en experimentos para estudiar la frontera entre el mundo clásico y cuántico, así como en aplicaciones de teletransportación cuántica y computación cuántica. Los sistemas híbridos, que combinan diferentes grados de libertad cuántica, como la luz y el sonido, ofrecen una oportunidad única para explorar nuevos regímenes de entrelazamiento.
En el presente estudio, se ha conseguido entrelazar fonones acústicos y fotones en un medio continuo utilizando un proceso de dispersión Brillouin. Los fonones, que son cuasipartículas de vibración mecánica, interactúan con la luz dentro de una guía de onda, creando pares de fonones y fotones entrelazados.
"El mecanismo propuesto presenta una característica importante: no requiere la preparación inicial del estado cuántico base del modo de fonones, lo que hace que la generación de entrelazamiento fotón-fonón sea resiliente a las fluctuaciones térmicas, incluso a temperatura ambiente", afirman los autores en el paper.
En el nuevo estudio se describe cómo se ha logrado generar entrelazamiento entre fotones y fonones en un sistema sólido activo Brillouin. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
La dispersión Brillouin y su papel en el entrelazamiento
La dispersión Brillouin es un fenómeno en el que la luz interactúa con ondas acústicas en un medio, cambiando su frecuencia y creando nuevos fotones dispersos, conocidos como fotones Stokes y anti-Stokes. Este proceso se ha explorado tradicionalmente en experimentos de optomecánica, donde la interacción entre fotones y fonones se utiliza para enfriar modos mecánicos o generar señales ópticas coherentes.
En este estudio, los investigadores utilizaron guías de onda con dispersión Brillouin activa, lo que permitió la generación de entrelazamiento óptico-acústico. A diferencia de los sistemas optomecánicos estándar, donde el enfriamiento al estado cuántico base es necesario, este nuevo enfoque permite generar entrelazamiento sin necesidad de preparación inicial del estado de fonones. Esto es posible gracias a la configuración de pulsos aplicada, que evita las pérdidas típicas de los sistemas continuos y permite operar bajo condiciones más flexibles.
La dispersión Brillouin es un fenómeno en el que la luz interactúa con ondas acústicas en un medio, cambiando su frecuencia y creando nuevos fotones dispersos. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Innovaciones en la detección del entrelazamiento
Una de las contribuciones clave de este trabajo es la propuesta de un esquema de detección completamente óptico para monitorear el entrelazamiento optoacústico. En lugar de depender de mediciones mecánicas directas, los investigadores sugieren el uso de detección homodina o heterodina de los fotones Stokes y anti-Stokes generados. Este enfoque no solo facilita la detección del entrelazamiento, sino que también permite una mejor resolución temporal y espacial del fenómeno.
El artículo explica que la detección de estados cuánticos acústicos es difícil de lograr experimentalmente, por lo que se propone transducir el estado mecánico cuántico en un estado óptico auxiliar. Mediante la aplicación de un segundo pulso de bombeo, es posible mapear el estado de los fonones en fotones anti-Stokes, que pueden ser detectados con técnicas ópticas convencionales. Esta metodología no solo simplifica la detección, sino que también aumenta la eficiencia del proceso de lectura del estado cuántico.
Entonces, ¿cuál es la novedad de este estudio?
La novedad de este estudio no radica simplemente en la generación de entrelazamiento fotón-fonón, ya que esto se ha demostrado en investigaciones previas, especialmente en sistemas optomecánicos con enfriamiento criogénico. Lo innovador aquí es que el equipo de Zhu, Genes y Stiller logró:Generar entrelazamiento fotón-fonón a temperatura ambiente, sin necesidad de enfriar el sistema a temperaturas criogénicas.
Utilizar un sistema de guías de onda Brillouin activas en un régimen de pulsos, lo que permite un enfoque diferente al de los sistemas optomecánicos tradicionales, que suelen operar en estado continuo.
Evitar la preparación inicial del estado cuántico base del modo de fonones, lo que simplifica el proceso y aumenta la viabilidad del experimento bajo condiciones ambientales normales.
El entrelazamiento cuántico entre luz y sonido puede tener grandes aplicaciones tecnológicas. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Futuro y aplicaciones potenciales
El éxito de este experimento marca un avance hacia la creación de sistemas cuánticos más accesibles y eficientes. Los investigadores sugieren que las aplicaciones potenciales del entrelazamiento optoacústico incluyen el desarrollo de nuevas técnicas para la metrología cuántica, así como mejoras en protocolos de teleportación cuántica y comunicación asistida por entrelazamiento.
El estudio concluye que la entropía generada durante el proceso puede ser controlada a través de ajustes precisos en los parámetros del pulso de bombeo, lo que indica una flexibilidad significativa para adaptar el sistema a diversas aplicaciones cuánticas. Con futuras mejoras en la fabricación de guías de onda y técnicas de detección, es probable que veamos un aumento en la implementación de estas tecnologías en dispositivos comerciales y sistemas de comunicación.
Eugenio M. Fernández Aguilar
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Referencias
Zhu, C., Genes, C., & Stiller, B. (2024). Optoacoustic entanglement in a continuous Brillouin-active solid state system. Physical Review Letters, 133(20), 203602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.203602
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