En el mundo cuántico, Pequeñas vibraciones pueden causar grandes problemas.. Los fononesLas vibraciones cuánticas del átomos en los sólidos, a menudo se convierten en el enemigo silencioso de las tecnologías cuánticas. Estas pequeñas oscilaciones generan ruido que interfiere con el funcionamiento de los sistemas cuánticos, especialmente provocando 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. Usando cristales fonónicos de diamantehan logrado controlar con precisión la interacción entre fonones de alta frecuencia y sistemas cuánticos sólidos. Este avance, publicado en la revista Física de la naturalezaabre nuevas posibilidades en campos como las redes fonónicas cuánticas y los sistemas acústicos cuánticos.
Los fonones son una fuente persistente de problemas en los sistemas cuánticos sólidos debido a su capacidad para inducir decoherenciaun fenómeno que altera las delicadas superposiciones cuánticas necesarias para que funcionen tecnologías como las computadoras cuánticas. Este “ruido de fondo” limita el rendimiento de los sistemas cuánticos, provocando que pierdan información antes de completar sus procesos.
Además, Los fonones limitan las condiciones de funcionamiento de los dispositivos cuánticosque normalmente requieren temperaturas cercanas al cero absoluto para minimizar la interferencia térmica. Sin embargo, los avances en el control fonónico podrían permitir que estas tecnologías operen 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 de gestionar estas vibraciones. Lograr esto no sólo amplía el horizonte de estas tecnologías, sino que también las hace más accesibles desde una perspectiva económica y técnica.
El equipo liderado por Kazuhiro Kuruma ha diseñado cristales fonónicos de diamante con precisión nanométrica, lo que les permite modificar la densidad de los estados de fonones del material huésped. Estas estructuras funcionan como una barrera que suprime los procesos fonónicos que inducen la decoherencia, protegiendo así los sistemas cuánticos de los efectos adversos de las vibraciones.
Hacer estos cristales no fue una tarea sencilla. Los investigadores optimizaron un proceso de grabado con diamantes que les permitió crear estructuras con detalles de apenas 20 nanómetrosuna escala más de 1000 veces más pequeña que el grosor de un cabello humano. Este nivel de detalle era esencial para insertar centros vacantes de silicio en cristalesque actúan como emisores cuánticos para estudiar interacciones fonónicas.
El uso del diamante como material base no es casual. Este material tiene propiedades únicas, como alta conductividad térmica y gran rigidezlo que lo hace ideal para aplicaciones cuánticas. Estas características permiten que los cristales fonónicos manipulen fonones de alta frecuencia de manera más eficiente, lo que marca un paso importante hacia el control del ruido cuántico.
En su estudio, los investigadores demostraron que los cristales podían suprimir fonones de alta frecuencia en el rango de 50 a 70 GHzincluso a temperaturas de hasta 20 Kelvin. Este rango de frecuencia es particularmente importante, ya que incluye las vibraciones que más contribuyen a la decoherencia en los sistemas cuánticos sólidos.
Uno de los resultados más notables fue el Reducción de 18 veces en la tasa de relajación orbital inducida por fonones en centros de vacantes de silicio. Esto significa que los cristales no sólo controlan las interacciones de los fonones, sino que también aumentan la estabilidad de los emisores cuánticos, lo cual es crucial para el diseño de dispositivos robustos y fiables.
Además, este nivel de control permitió que los sistemas cuánticos funcionaran 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.
La capacidad de los cristales fonónicos para controlar fonones de alta frecuencia tiene implicaciones importantes en diversos campos tecnológicos. Por ejemplo, en el redes fonónicas cuánticaspodría facilitar la transmisión de información mediante ondas acústicas, que complementarían o incluso sustituirían a las señales ópticas en determinados casos.
Otra área donde podrían tener un impacto es optomecánicaque combina luz y movimiento mecánico para desarrollar dispositivos ultrasensibles. Los cristales también podrían ser clave en aplicaciones termoeléctricas, donde controlar el transporte de calor a nivel cuántico podría mejorar la eficiencia energética de estos sistemas.
Finalmente, el desarrollo de cristales fonónicos representa un paso hacia Integración de la acústica cuántica en la tecnología actual.. Este campo emergente, conocido como acustodinámicoestudia cómo se pueden utilizar las ondas acústicas para manipular sistemas cuánticos, ampliando así las posibilidades de investigación y desarrollo de nuevas aplicaciones.
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