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La interacción entre la materia y la luz es uno de los procesos más fundamentales de la física. Ya sea un coche que se calienta como un horno en el verano debido a la absorción de cuantos de luz o las células solares que extraer electricidad de la luz o diodos emisores de luz que convierten la electricidad en luz, nos encontramos con los efectos de estos procesos en nuestra vida diaria.  La comprensión de las interacciones entre las partículas individuales de luz – fotones – y los átomos es fundamental para el desarrollo de un ordenador cuántico.

Físicos de Walther-Meissner-Institute for Low Temperature Research de la Bavarian Academy of Sciences (WMI) y Augsburg University, en colaboración con investigadores de España, han realizado una interacción ultrafuerte entre los fotones a frecuencias de microondas y los átomos de un circuito de nano-estructura.  La interacción  es diez veces más fuerte que los niveles alcanzados anteriormente para tales sistemas.

El sistema más simple para investigar las interacciones entre la luz y la materia es una cavidad resonante con  una partícula de luz y un átomo capturado en el interior (cavidad electrodinámica cuántica, cavidad QED).  Sin embargo, dado que la interacción es muy débil, estos experimentos son muy elaborados.  Una interacción mucho más fuerte se puede obtener con circuitos nano-estructurados en los que metales como el aluminio se vuelven superconductores a temperaturas justo por encima del cero absoluto (circuito QED). Correctamente configurado, los miles de millones de átomos en los conductores de espesor simplemente del orden de nanómetros  se comportan como un solo átomo artificial y obedecer las leyes de la mecánica cuántica.  En el caso más simple, se obtiene un sistema con dos estados de energía,  llamado qubit o bit cuántico.

El acoplamiento de este tipo de sistemas con resonadores de microondas ha abierto un dominio creciente de investigación en TUM Physics, el WMI y el cluster of excellence Nanosystems Initiative Munich (NIM) están liderando este campo.  En contraste con los sistemas de cavidad QED, los investigadores pueden personalizar la circuitería en muchas áreas.

Para facilitar las mediciones, el profesor Gross y su equipo capturó el fotón en una caja especial, un resonador. Consiste en la realización de una ruta de  superconductor de niobio que se configura con «espejos» con gran poder de reflexión para microondas en ambos extremos.  En este resonador, el átomo artificial hecho de un circuito de aluminio se coloca de modo que pueda interactuar de manera adecuada  con el fotón.Los investigadores lograron interacciones ultrafuertes mediante la adición de otro componente superconductor en su circuito, una unión llamada de Josephson.

La fuerza de interacción medida es hasta el doce por ciento de la frecuencia del resonador. Esto hace que sea diez veces más potentes que los efectos anteriormente medibles en los sistemas del circuito QED y miles de veces más fuerte que en una cavidad resonante verdadera. Sin embargo, junto con su éxito los investigadores también crearon un nuevo problema: hasta ahora, la teoría de Jaynes-Cummings desarrollada en 1963 fue capaz de describirmuy bien todos los efectos observados. Sin embargo, no parece aplicarse al ámbito  de interacciones ultrafuertes. «La visualización de los espectros son como de un tipo completamente nuevo de objeto», dice el profesor Gross. «El acoplamiento es tan fuerte que los pares de fotón-átomo deben ser vistos como una nueva unidad, un tipo de molécula que incluye un átomo y un fotón».

Físicos teóricos y experimentales  necesitarán algún tiempo para examinarlo más de cerca. Sin embargo, los nuevos avances experimentales en este dominio ya están proporcionando a los investigadores toda una serie de nuevas opciones de experimentación. La manipulación selectiva de estos pares de fotón-átomo podría ser la clave para el procesamiento de información cuántica basada en los ordenadores cuánticos que sería muy superior a las computadoras de hoy.

Fuente:  EurekAlert!

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