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Nanofibras atrapa-átomos

Karina Maldonado Portillo
8/jun/2012

Una de las posibilidades más atractivas que se ha explorado hacia la implementación de protocolos de información cuántica y del desarrollo de computadoras cuánticas es a través de trampas de iones o átomos aislados, algo difícil de interpretar en nuestra realidad visible.

Sin embargo, luego de su ponencia “Nanofibras ópticas para sistemas híbridos de información cuántica”, que Luis Orozco, investigador de la Universidad de Maryland, presentó en el IFUNAM el pasado 23 de mayo, queda claro que algunos pasos para la transmisión de información cuántica podrían ser interpretados en términos más "familiares".

“La idea principal es que si vamos a tener una computadora cuántica, ésta debe ser en materia condensada, es imposible que pensemos que no sea así por más que nos guste considerar sólo átomos, iones, entre otras cosas”, dijo.

Para ello, es necesario desarrollar dispositivos que puedan, justamente, funcionar en materia condensada, es decir, que puedan ser integrados al mundo macroscópico, tal y como se utilizan las computadores personales actuales.

Para ello, Orozco y su equipo buscan desarrollar lo que denominan un qubit híbrido. Un qubit es un bit cuántico, es decir, la unidad de información cuántica. Cuando hablamos de un qubit híbrido se refiere a que tiene dos entidades físicas que intercambian información entre ellas. En este caso, se trata de la interacción del espín de los átomos con el campo magnético del superconductor.

“Lo que nosotros queremos es acoplar un cordón de átomos atrapados alrededor de una nanofibra con un diámetro de 0.5 micrones (o micra, la milésima parte de un metro) atrapados a una distancia de 5 micrones sobre un sistema superconductor”.

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Proceso de creación del qubit cuántico, propuesto por el equipo de Orozco.

Orozco detalló sobre el proceso de fabricación y la importancia de las nanofibras debido, esencialmente, a que su visita fue patrocinada por el Capítulo Estudiantil de la Sociedad Americana de Óptica en la UNAM (Optical Society of America Student Chapter) para guiar a los estudiantes que están haciendo investigación en esa línea.

De acuerdo con Orozco, la clave para lograr la cadena de átomos atrapados con las nanofibras está en la creación de un campo evanescente.

El mecanismo tradicional para guiar la luz en la fibra óptica convencional es por reflexión total interna, es decir, la fibra tiene un núcleo interno y un recubrimiento externo. Al ser ambos de material transparente, permite que la luz se propague con un mínimo de pérdidas.

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Mecanismo de reflexión total interna. Fuente: New Scientist .

De acuerdo con la investigadora del IFUNAM, Karen Volke, “dado que el núcleo tiene un índice de refracción mayor que el del recubrimiento, cuando la luz se encuentra con la frontera entre ambos, en lugar de transmitirse hacia el recubrimiento y escapar, se refleja en su totalidad de vuelta al núcleo; este es el fenómeno conocido como reflexión total interna (RTI), y es el que mantiene a la luz confinada en el núcleo, propagándose a través de él pero sin escapar de la fibra”.

En la RTI, hay una pequeña parte de la luz que sí logra escapar, aunque ya no se puede propagar en el medio al que se escapa, porque su amplitud decae exponencialmente en dirección radial, desde el centro de la fibra. Esto es lo que se conoce como el campo evanescente.

Cuando el núcleo de la fibra se estira hasta hacerse extremadamente angosto, que fue lo que hicieron Orozco y su equipo, el recubrimiento incluso se pierde, dejando en la sección más angosta el núcleo al desnudo.

“En estas condiciones -dice Volke- el campo evanescente que sale de la fibra es un poco mayor, con amplitud suficiente, muy cerca de la fibra como para interaccionar con los átomos, aunque igual decae en forma exponencial”.

Según Orozco, “si uno tiene una fibra óptica puede crear un campo evanescente, éste puede atrapar a los átomos. Para ello son necesarios dos colores diferentes: rojo y azul, éste último repele los átomos de la pared de la fibra, mientras que el rojo atrae a los átomos”.

Con la combinación de ambos se logra crear una trampa, es decir, un punto de equilibrio entre las fuerzas de atracción y repulsión que logra confinar al átomo.

Así, al inmovilizar los átomos gracias al campo evanescente de la fibra óptica y controlar su interacción con el campo magnético del superconductor, se puede lograr el manejo, transmisión y almacenamiento de la información cuántica.