Cómo construir una computadora fonónica

La ciencia de cómo la luz interactúa con la materia se llama electrodinámica cuántica o QED y la teoría en la que se basa es uno de los logros más importantes de la física del siglo XX.

Hoy en día, se encuentra en el corazón de una tecnología emergente llamada circuito-QED, en la que los fotones atrapados en un chip de silicio se hacen para interactuar con dispositivos superconductores llamados átomos artificiales, que tienen varios niveles de energía al igual que los átomos reales.

Esta es una herramienta prometedora para la computación cuántica. Los dispositivos Circuit-QED manipulan la información cuántica a medida que se transfiere de la luz a la materia y viceversa. Y el hecho de que todo esto tenga lugar en un solo chip permite un control sin precedentes.

Pero hay otra forma de hacer este tipo de procesamiento de información cuántica que podría ser igualmente prometedora. En lugar de depender de la luz, utiliza paquetes cuánticos de sonido llamados fonones.

Los fonones son vibraciones cuánticas que viajan a través de la red que forma los materiales, de la misma manera que el sonido pasa por el aire. Por lo general, son cosas desordenadas e incoherentes que vemos como calor y ruido, cosas que generalmente queremos minimizar o eliminar por completo.

Pero en los últimos años, los físicos han comenzado a examinar formas de crear fonones intencionalmente, para atraparlos y hacerlos coherentes.

Eso les ha proporcionado una serie de ideas interesantes. Dado que la vibración es esencialmente calor, este tipo de control ha llevado a varios mecanismos de enfriamiento innovadores a escala nanoscópica. Y dado que cualquier objeto cuántico también puede transportar información cuántica, varios físicos están pensando en formas de utilizar fonones para la computación cuántica.

Pero antes de que puedan hacer eso, necesitan una forma de manipular la información cuántica que llevan los fonones. Y nadie ha encontrado una buena forma de hacerlo.

Hoy, sin embargo, Rusko Ruskov y Charles Tahan de la Universidad de Maryland dicen que saben cómo hacerlo. Su idea es el equivalente fonónico de circuito-QED. Entonces, en lugar de atrapar un fotón en una cavidad y hacerlo interactuar con un átomo artificial, estos tipos quieren hacerlo con fonones: fonodinámica cuántica.

Su esquema es relativamente sencillo. Comienzan creando una membrana de silicio, un cristal de silicio unidimensional de unos 200 nanómetros de espesor. Ellos diseñan las propiedades de esta membrana para crear una especie de guía de ondas que dirige los fonones.

Crean un fonón golpeando esta membrana con un láser, que envía un paquete cuántico de vibración a través de la red.

El equivalente de un átomo atrapado en una cavidad óptica es un solo átomo de boro o aluminio que distorsiona la red. Es esta distorsión la que interactúa con el fotón.

Sin embargo, los físicos pueden usar un campo magnético externo para hacer que la distorsión tome varios niveles de energía diferentes. Esto cambia la forma en que el fonón interactúa de una manera que procesa la información que transporta.

Finalmente, el fonón pasa a otra región de la red de silicio con una banda prohibida que ha sido diseñada para convertir el fonón en un fotón, que luego se puede medir.

Eso suena como un buen plan. Los físicos ya saben que el circuito-QED es una forma poderosa de manipular información cuántica. Entonces, la única pregunta es sobre la viabilidad del diseño para la fonodinámica cuántica.

La dificultad, por supuesto, será construir esta cosa, que como dicen Ruskov y Tahan será un logro fundamental.

El procesamiento de información cuántica es un área abarrotada con muchas ideas, planes y dispositivos que compiten por intereses y financiamiento. La fonética tiene la ventaja de ser un campo emergente con una amplia aplicación en diversas formas exóticas de informática. Estaremos observando con interés para ver cómo funciona.

Ref: arxiv.org/abs/1208.1776 : Fonodinámica cuántica en chip

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