Por vez primera, unos científicos han conseguido generar un acoplamiento fuerte entre luz y vibraciones acústicas de larga duración en una fibra óptica. Las fibras ópticas se utilizan tanto en las telecomunicaciones clásicas como en la comunicación cuántica, y en el futuro podrían servir no solo como conexiones entre nodos de computación, sino también como procesadores cuánticos en sí mismos. Este avance abre el camino a nuevas tecnologías en el procesamiento de señales cuánticas.
El logro es obra de Laura Blázquez Martínez, Changlong Zhu y Birgit Stille, del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, en Alemania.
Las vibraciones mecánicas y acústicas pueden utilizarse para convertir señales a través de diversos rangos de frecuencia, desde frecuencias ópticas (terahercios) hasta microondas (gigahercios) e incluso frecuencias más bajas (megahercios o kilohercios). Por ejemplo, esta capacidad es fundamental para conectar múltiples computadoras cuánticas que operen a frecuencias de gigahercios mediante enlaces ópticos. Además, las ondas acústicas se propagan a velocidades significativamente inferiores a la de la luz; por tanto, constituyen un medio capaz de transportar información a menor velocidad, lo cual resulta de gran interés para el almacenamiento de datos y el almacenamiento temporal (búfer) de información.
Sin embargo, para aprovechar estas capacidades de procesamiento en el ámbito de la información cuántica mediante vibraciones mecánicas, es necesario un requisito previo: el régimen de acoplamiento fuerte. Este régimen garantiza que la información cuántica se intercambie antes de perderse debido a la disipación o a la decoherencia. La decoherencia describe el estado en el que las ondas dejan de oscilar al unísono. En el régimen de acoplamiento fuerte, la información cuántica puede procesarse con mayor rapidez (a una velocidad superior al ritmo al cual el “ruido” penetra en el sistema) sin que se pierdan sus propiedades cuánticas.
Hasta ahora, el régimen de acoplamiento fuerte se lograba en las denominadas cavidades optomecánicas, que pueden compararse a pistas de carreras de fórmula 1 para la luz. En estas cavidades, la luz recorre el circuito hasta un millón de veces, lo que le brinda la oportunidad de acoplarse intensamente con las vibraciones a lo largo de su trayectoria. Por el contrario, cuando la luz viaja a través de una fibra óptica, el proceso es comparable a circular por una autopista: las señales ópticas avanzan en una sola dirección a lo largo de esta “autopista de fibra” y solo interactúan con vibraciones u otros obstáculos una única vez, en vez de hacerlo un millón de veces como ocurriría en la pista de carreras. En consecuencia, lograr un acoplamiento fuerte entre la información óptica y una vibración acústica durante un único paso resulta extremadamente difícil.
Laura Blázquez y sus colegas han logrado, por primera vez, un acoplamiento fuerte dentro de una fibra óptica enfriada, mediante interacciones entre luz y sonido; concretamente, a través del efecto de dispersión Brillouin estimulada. Este estado de acoplamiento fuerte entre luz y sonido se consigue sin necesidad de un resonador óptico ni de un resonador mecánico. Durante un único paso de la luz a través de una fibra óptica, a una temperatura de 269 grados centígrados bajo cero, el equipo logró generar interacciones entre luz y sonido cuya intensidad supera con creces las pérdidas provocadas por las fuentes de ruido óptico y acústico. Lo logrado por el equipo constituye un paso crucial hacia el uso de fibras ópticas como una plataforma eficiente para las interacciones cuánticas.
Además, lo conseguido por este equipo representa un avance revelador en las investigaciones sobre la transición entre la física clásica y la física cuántica. Las fibras ópticas son objetos mucho más masivos que los resonadores microoptomecánicos que se emplean habitualmente para estudiar las interacciones entre la luz y las ondas mecánicas. La capacidad de analizar las propiedades cuánticas de esta interacción abre una vía para estudiar las propiedades cuánticas de objetos masivos.
Laura Blázquez y sus colegas exponen los detalles técnicos de su trabajo experimental en la revista académica Nature Physics, bajo el título de “Cavity-less Brillouin strong coupling in a solid-state continuous system”.
