Diseñan un método para generar estados cuánticos aplicable a la computación

En 1998 se otorgó el premio Nobel de Física al descubrimiento de un tipo de fluido cuántico con excitaciones de carga fraccionaria conocido como estado de Laughlin.

Producir este estado cuántico, que explica el comportamiento de los electrones en placas metálicas bidimensionales cuando están sometidos a campos magnéticos intensos, es desde hace una década uno de los objetivos que más interés despierta en el campo de investigación de átomos ultrafríos y condensados de Bose-Einstein.

Ahora, en un trabajo teórico firmado por investigadores de la Universidad de Barcelona y del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), publicado esta semana en Nature Communcations, se propone un método para generar este tipo de estados en sistemas bidimensionales de átomos ultrafríos, con potenciales aplicaciones en computación cuántica.

Interacción

«El trabajo combina varias ideas de vanguardia, como por ejemplo la generación de campos magnéticos artificiales, que permiten estudiar fenómenos como el efecto Hall cuántico fraccionario (al que dan lugar los estados de Laughlin) en sistemas compuestos por átomos neutros, con el uso de trampas nanoplasmónicas (un tipo de oscilaciones colectivas de la nube electrónica de un metal a nivel cuántico) para poder confinar el sistema de átomos en una región bidimensional», apunta Bruno Juliá, investigador de la UB y primer autor del estudio, en la nota de prensa de la Universidad.

Así, los átomos ultrafríos, según la simulación numérica, quedarían suspendidos sobre una superficie metálica por la acción del campo nanoplasmónico. Una vez dispuestos de ese modo, los átomos serían iluminados con un láser que permitiría generar un campo magnético artificial que los átomos podrían notar, como les ocurre de manera natural a los electrones en la placa metálica. «Este trabajo es innovador porque conseguimos combinar las ideas fundamentales de la nanotecnología y la física de los átomos ultrafríos», explica Maciej Lewenstein, investigador del ICFO.

Para conseguir que los átomos interaccionen entre ellos —cosa que en principio no pueden hacer, ya que el principio de Pauli de la mecánica cuántica impide que dos fermiones idénticos se «toquen»— y presenten un comportamiento similar a la repulsión entre cargas de los electrones, se aprovecha la excitación virtual de uno de ellos, dando lugar a una fuerza interatómica cuya intensidad se puede regular experimentalmente.

El trabajo surge de la colaboración entre el Departamento de Estructura y Constituyentes de la Materia de la Facultad de Física de la UB y los grupos de Nanofotónica Cuántica y de Teoría de la Óptica Cuántica del ICFO -centros adscritos al campus de excelencia internacional BKC, Barcelona Knowledge Campus, cuya labor conjunta ha permitido articular los avances en nanofotónica con el campo de la simulación cuántica en sistemas de átomos ultrafríos.

Referencia bibliográfica:

B. Juliá-Díaz, T. Grass, O. Dutta, D. E. Chang, M. Lewenstein. Engineering p-wave interactions in ultracold atoms using nanoplasmonic traps. Nature Communications (2013). DOI: 10.1038/ncomms3046.