Nuevas posibilidades en la física cuántica
Investigadores han desarrollado átomos artificiales capaces de almacenar y liberar luz con precisión cuántica. Este avance podría revolucionar la computación, las telecomunicaciones y la seguridad cuántica.
Científicos crean "átomos artificiales" gigantes que pueden atrapar, almacenar y liberar luz a voluntad: nuevas posibilidades en la física cuántica. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
24.02.2025
La posibilidad de controlar la luz a nivel cuántico es uno de los grandes desafíos de la física moderna. En los últimos años, los avances en superconductores han permitido manipular la luz y la materia con precisión sin precedentes. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) ha dado un paso revolucionario: han desarrollado "átomos artificiales" de gran tamaño que pueden almacenar y liberar luz a voluntad.
Este hallazgo, publicado en Physical Review Letters, representa un hito en la física cuántica y podría allanar el camino hacia nuevas aplicaciones en computación cuántica, telecomunicaciones y sensores ultra precisos. El equipo, liderado por Elena Redchenko y Johannes Fink, ha logrado construir un sistema basado en superconductores que permite crear, controlar y sincronizar pulsos de luz cuánticos, una proeza que antes se consideraba inalcanzable con métodos tradicionales.
Átomos artificiales y la revolución de los superconductores
La idea de los átomos artificiales no es nueva, pero lo que hace especial este experimento es su capacidad para personalizar las propiedades cuánticas de estos sistemas. Mientras que los átomos naturales tienen estados de energía fijos, los artificiales pueden ser diseñados para tener niveles de energía ajustables a medida. Esto significa que los científicos pueden controlar cómo interactúan con la luz, permitiendo una precisión extraordinaria en experimentos de óptica cuántica.
Los dispositivos utilizados en el experimento son circuitos superconductores que pueden comportarse como átomos en términos cuánticos. "Con nuestros átomos artificiales, podemos elegir qué valores de energía están permitidos. Para cada uno de ellos, establecemos exactamente la distancia entre los niveles de energía físicamente posibles", explica Elena Redchenko. Esta flexibilidad abre nuevas posibilidades para manipular fotones individuales, esenciales para la computación cuántica.
Otra de las claves del experimento es la interacción con ondas de microondas, que pueden ser absorbidas y liberadas por estos átomos artificiales. "Podemos demostrar que los fotones se intercambian entre las microondas en el cable y los átomos artificiales de una manera predecible con exactitud", señala Redchenko. Este control sobre los fotones es esencial para el desarrollo de memorias cuánticas y tecnologías de transmisión de información ultrasegura.
Esquema y microscopía del experimento: (a) y (b) muestran oscilaciones y pulsos cuánticos en átomos artificiales. (c) Imagen del circuito con qubits acoplados a un resonador. (d) Detalle del acoplamiento en el dispositivo. Fuente: Physical Review Letters
Un experimento innovador: almacenar y recuperar luz
Uno de los mayores avances del estudio es que los investigadores lograron almacenar luz y recuperarla posteriormente, algo fundamental para el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas. Para ello, diseñaron una estructura en la que los átomos artificiales están acoplados a un resonador de microondas, lo que permite capturar fotones y liberarlos en un momento determinado.
El equipo observó que los fotones no desaparecen inmediatamente tras la interacción con los átomos artificiales, sino que pueden ser recolectados y devueltos en intervalos regulares. Este fenómeno es similar a la memoria de un ordenador, pero a nivel cuántico: la luz no se pierde, sino que queda almacenada temporalmente y se libera bajo demanda.
Han demostrado que la flexibilidad de este sistema y su precisión en experimentos cuánticos muy diversos. Esto implica que podría utilizarse para desarrollar nuevas tecnologías de almacenamiento de información en el campo de la computación cuántica, donde el control preciso de los fotones es esencial.
Resultados experimentales: (a) Espectro de transmisión del resonador con cinco qubits. (b) Amplitud de transmisión en función del tiempo. (c)-(f) Comparación entre oscilaciones de un solo qubit y colectivas según el espaciamiento del peine de frecuencias. Fuente: Physical Review Letters
Pulsos de luz controlados y su impacto en la computación cuántica
Otro aspecto crucial del experimento es la capacidad de controlar la emisión de pulsos de luz cuánticos con precisión extrema. En el sistema desarrollado, los científicos pueden enviar una señal clásica de microondas y transformarla en una secuencia de pulsos cuánticos.
Enviaron un pulso clásico de microondas, pero la interacción con los átomos artificiales puede crear una serie de pulsos cuánticos de luz, separados en intervalos de tiempo que podemos controlar. Es como un temporizador cuántico en un chip, tal como describe Redchenko. Esta propiedad permite programar la liberación de fotones en momentos específicos, algo fundamental para la comunicación cuántica y las tecnologías de encriptación seguras.
Por otra parte, este sistema ofrece una ventaja clave sobre los métodos tradicionales: en vez de depender de átomos naturales que tienen propiedades fijas, los átomos artificiales pueden diseñarse con características específicas para optimizar su funcionamiento. Esto abre la puerta a la creación de redes de comunicación cuántica más eficientes y robustas.
Este experimento no solo representa un hito en la manipulación de la luz a nivel cuántico, sino que también sienta las bases para múltiples aplicaciones en el campo de la tecnología cuántica. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Implicaciones para la tecnología cuántica del futuro
Este experimento no solo representa un hito en la manipulación de la luz a nivel cuántico, sino que también sienta las bases para múltiples aplicaciones en el campo de la tecnología cuántica. Entre las posibles aplicaciones destacan:
- Memorias cuánticas: la capacidad de almacenar y recuperar fotones permitirá desarrollar dispositivos de almacenamiento de información ultraeficientes.
- Computación cuántica: el control preciso de la luz facilitará procesadores cuánticos más rápidos y estables.
- Comunicación segura: el uso de fotones individuales garantizará transmisiones de datos imposibles de hackear mediante criptografía cuántica.
Los investigadores creen que su tecnología podría integrarse en circuitos cuánticos avanzados, mejorando la conectividad y la eficiencia de los sistemas actuales. Este nivel de control era impensable con átomos naturales. Ahora, con los átomos artificiales, se podráprogramar el comportamiento de la luz a nivel cuántico, concluyen los autores.
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Referencias:
E. S. Redchenko, M. Zens, M. Žemlička, M. Peruzzo, F. Hassani, R. Sett, P. Zieliński, H. S. Dhar, D. O. Krimer, S. Rotter, J. M. Fink, Observation of Collapse and Revival in a Superconducting Atomic Frequency Comb, Physical Review Letters, 11 febrero 2025. DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.06360.
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