Los iones de tierras raras podrían abrir el camino a las redes y memorias cuánticas
Las tecnologías cuánticas utilizan algunos aspectos extraños de la física cuántica para codificar y transferir información. Estos son la superposición cuántica, donde las partículas pueden existir simultáneamente en dos estados cuánticos diferentes (cúbits), y el entrelazamiento cuántico, donde las partículas comparten su estado cuántico de una manera que es imposible en los sistemas clásicos. Los cúbits son entidades delicadas que deben mantenerse cuidadosamente aisladas de fuerzas externas. En caso contrario, puede producirse la decoherencia de la frágil superposición en un estado de computación tradicional, es decir, un uno o un cero. Los sistemas atómicos, como los nanocristales de elementos de tierras raras, ofrecen una forma de generar cúbits con niveles de ruido muy bajos y, por lo tanto, mantienen la coherencia cuántica necesaria para las aplicaciones cuánticas. «Los iones de tierras raras en materiales a granel pueden mantener la coherencia óptica y de espín durante mucho tiempo. Demostramos que esta singular propiedad se conserva en gran medida a nanoescala», explica Philippe Goldner, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos NanOQTech. Para probar su teoría, los investigadores sintetizaron cristales de diferentes tamaños dopados con europio, praseodimio y erbio, y midieron los tiempos de coherencia de sus estados cuánticos ópticos y de espín. El equipo registró, entre otros, los tiempos de coherencia óptica más largos, a saber, 3 µs y 6 µs, para los cristales de 60 y 100 nm dopados con europio, respectivamente.
Los iones de tierras raras ven la luz
El objetivo principal de NanOQTech era construir dispositivos cuánticos híbridos a nanoescala que se acoplaran con eficacia a la luz. «Gracias a los extensos tiempos de coherencia de sus estados cuánticos, los cúbits de tierras raras acoplados a microcavidades pueden funcionar como sistemas cuánticos híbridos, con varias aplicaciones potenciales en la ciencia de la información cuántica», señala Goldner. A fin de que tengan utilidad en aplicaciones cuánticas, los iones de tierras raras y las microcavidades deben mantenerse a temperaturas muy bajas (criogénicas). El equipo del proyecto logró un acoplamiento eficiente entre unos pocos iones de tierras raras y una microcavidad de fibra en criostatos de ciclo cerrado. El experimento de los investigadores de NanOQTech demostró el potencial para lograr la comunicación óptica con un solo ion de tierras raras dentro de la microcavidad de fibra, un fenómeno de gran interés para el almacenamiento de información cuántica. Aunque el proyecto no logró detectar un único ion en la cavidad, exploró cómo un fuerte efecto Purcell (factores Purcell de hasta 150) mejoró la interacción óptica con diez iones de tierras raras. Por último, los investigadores del proyecto fabricaron sistemas híbridos que pueden interactuar con los iones de tierras raras y, por lo tanto, podrían aprovechar las propiedades cuánticas transferidas para permitir nuevas funcionalidades. «Los iones de tierras raras pueden formar una interfaz cuántica entre la luz y otros sistemas, en nuestro caso, plasmones de grafeno y osciladores mecánicos», observa Goldner. El proyecto estableció las nanoestructuras dopadas con tierras raras como una nueva plataforma para las tecnologías cuánticas ópticas. Las nanopartículas desarrolladas durante NanOQTech demostraron tiempos de coherencia inigualables de sus estados cuánticos ópticos y de espín. El trabajo del proyecto allana el camino para construir redes cuánticas que transmitan información a través de cúbits de estado sólido. En comparación con los cúbits de estado sólido basados en defectos similares a los átomos en los puntos de diamante o cuánticos, los cúbits de tierras raras duran más tiempo, son más estables y tienen un gran potencial como sistemas cuánticos modulables.
Palabras clave
NanOQTech, ion de tierras raras, coherencia, cúbits de estado sólido, red cuántica, estados cuánticos de espín, microcavidad de fibra, almacenamiento de información cuántica, grafeno, resonadores mecánicos
