En el mundo cuántico, pequeñas vibraciones pueden causar grandes problemas. Los fonones, las vibraciones cuánticas de los átomos en sólidos, a menudo se convierten en el enemigo silencioso de las tecnologías cuánticas. Estas diminutas oscilaciones generan ruido que interfiere con el rendimiento de los sistemas cuánticos, especialmente al provocar un fenómeno conocido como decoherencia. Este efecto compromete la estabilidad y precisión de los dispositivos que buscan aprovechar las propiedades únicas de la mecánica cuántica.
En un estudio reciente, investigadores de Harvard y otras instituciones han desarrollado una solución ingeniosa para mitigar este desafío. Utilizando cristales fonónicos de diamante, han logrado controlar con precisión la interacción entre los fonones de alta frecuencia y los sistemas cuánticos sólidos. Este avance, publicado en la revista Nature Physics, abre nuevas posibilidades en campos como las redes fonónicas cuánticas y los sistemas acústicos cuánticos.
El desafío de los fonones en la tecnología cuántica
Los fonones son una fuente persistente de problemas en los sistemas cuánticos sólidos debido a su capacidad para inducir decoherencia, un fenómeno que interrumpe las delicadas superposiciones cuánticas necesarias para el funcionamiento de tecnologías como los ordenadores cuánticos. Este “ruido de fondo” limita el rendimiento de los sistemas cuánticos, haciendo que estos pierdan información antes de completar sus procesos.
Por otra parte, los fonones restringen las condiciones operativas de los dispositivos cuánticos, que suelen requerir temperaturas cercanas al cero absoluto para minimizar interferencias térmicas. Sin embargo, avances en el control fonónico podrían permitir que estas tecnologías funcionen en condiciones menos extremas, facilitando su aplicación en escenarios más amplios y realistas.
Algunos campos, como la computación cuántica y las redes de comunicación basadas en fonones, dependen especialmente de la capacidad para gestionar estas vibraciones. Lograr esto no solo amplía el horizonte de estas tecnologías, sino que también las hace más accesibles desde una perspectiva económica y técnica.
Diseño y fabricación de los cristales fonónicos de diamante
El equipo liderado por Kazuhiro Kuruma ha diseñado cristales fonónicos de diamante con una precisión nanométrica, lo que les permite modificar la densidad de estados fonónicos del material huésped. Estas estructuras funcionan como una barrera que suprime los procesos fonónicos que inducen decoherencia, protegiendo así los sistemas cuánticos de los efectos adversos de las vibraciones.
Fabricar estos cristales no fue una tarea sencilla. Los investigadores optimizaron un proceso de grabado en diamante que permitió crear estructuras con detalles de apenas 20 nanómetros, una escala más de 1000 veces menor que el grosor de un cabello humano. Este nivel de detalle fue fundamental para insertar centros de vacancia de silicio en los cristales, que actúan como emisores cuánticos para estudiar las interacciones fonónicas.
El uso de diamante como material base no es casual. Este material posee propiedades únicas, como una alta conductividad térmica y una gran rigidez, que lo hacen ideal para aplicaciones cuánticas. Estas características permiten a los cristales fonónicos manipular fonones de alta frecuencia de manera más eficiente, marcando un paso importante hacia el control del ruido cuántico.
Resultados experimentales: un avance significativo
En su estudio, los investigadores demostraron que los cristales podían suprimir fonones de alta frecuencia en el rango de 50 a 70 GHz, incluso a temperaturas de hasta 20 Kelvin. Este rango de frecuencias es particularmente importante, ya que incluye las vibraciones que más contribuyen a la decoherencia en sistemas cuánticos sólidos.
Uno de los resultados más destacados fue la reducción de 18 veces en la tasa de relajación orbital inducida por fonones en los centros de vacancia de silicio. Esto significa que los cristales no solo controlan las interacciones fonónicas, sino que también aumentan la estabilidad de los emisores cuánticos, lo que es crucial para el diseño de dispositivos robustos y confiables.
Por otra parte, este nivel de control permitió operar los sistemas cuánticos a temperaturas más altas de lo habitual, acercándose a un rango que podría considerarse práctico para aplicaciones comerciales. Este logro abre la puerta a tecnologías cuánticas más versátiles y accesibles.
Impacto y aplicaciones futuras
La capacidad de los cristales fonónicos para controlar fonones de alta frecuencia tiene implicaciones significativas en diversos campos tecnológicos. Por ejemplo, en las redes fonónicas cuánticas, podrían facilitar la transmisión de información mediante ondas acústicas, lo que complementaría o incluso reemplazaría las señales ópticas en ciertos casos.
Otro ámbito donde podrían tener un impacto es la optomecánica, que combina la luz y el movimiento mecánico para desarrollar dispositivos ultrasensibles. Los cristales también podrían ser clave en aplicaciones termoeléctricas, donde el control del transporte de calor a nivel cuántico podría mejorar la eficiencia energética de estos sistemas.
Finalmente, el desarrollo de los cristales fonónicos representa un paso hacia la integración de la acústica cuántica en la tecnología actual. Este campo emergente, conocido como acustodinámica, estudia cómo las ondas acústicas pueden ser utilizadas para manipular sistemas cuánticos, ampliando así las posibilidades para la investigación y el desarrollo de nuevas aplicaciones.
Referencias
- Kazuhiro Kuruma, Amirhassan Shams-Ansari, Robert J. Cava, et al. Controlling interactions between high-frequency phonons and single quantum systems using phononic crystals. Nature Physics, 2024. DOI: 10.1038/s41567-024-02697-5.
Cortesía de Muy Interesante
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