Focusing through coupled multimode fibers for miniaturized single-atom tweezer arrays

La búsqueda de la construcción de computadoras cuánticas prácticas y sensores ultrasensibles suele chocar con un muro que no es de teoría, sino de tamaño. Para manipular las unidades más pequeñas de la materia, como átomos individuales, los científicos suelen utilizar "pinzas ópticas", que son esencialmente haces de luz intensamente enfocados que actúan como dedos invisibles para mantener las partículas en su lugar. En un laboratorio, estos haces se crean generalmente proyectando luz a través de lentes de vidrio grandes y pesadas. Aunque son efectivos, estos componentes voluminosos son costosos, frágiles y difíciles de alinear perfectamente. Si el equipo se desplaza incluso ligeramente, se pierde el delicado agarre sobre el átomo. Para que la tecnología cuántica salga del laboratorio y llegue al mundo real —quizás para asegurar comunicaciones o potenciar futuras redes—, los investigadores necesitan sistemas que sean pequeños, ligeros y lo suficientemente robustos como para sobrevivir en entornos menos controlados.

Aquí es donde la flexibilidad de las fibras ópticas ofrece una solución prometedora. A diferencia de las lentes de vidrio rígidas, las fibras son filamentos delgados y flexibles que pueden guiar la luz a través de largas distancias. Sin embargo, usar una sola fibra para atrapar átomos tiene una limitación importante: actúa como una única tubería, lo que dificulta la creación de múltiples trampas independientes que puedan moverse rápidamente. Para resolver esto, investigadores de la Universidad de Durham han desarrollado un nuevo método utilizando un tipo especial de haz de fibras que les permite crear dos trampas separadas y controlables a partir de un único dispositivo compacto. Su trabajo demuestra un camino hacia matrices reconfigurables de trampas de átomos que podrían caber en los paquetes pequeños requeridos para aplicaciones cuánticas del mundo real.

El equipo comenzó utilizando un dispositivo conocido como acoplador fusionado, que es esencialmente dos fibras multimodo fundidas en un extremo para formar una única salida. Las fibras multimodo son únicas porque son lo suficientemente anchas como para transportar muchos patrones de luz simultáneamente, a diferencia de las fibras estándar que transportan solo una. Los investigadores conectaron dos haces de láser separados a los dos extremos de entrada de este acoplador. Para dar forma a la luz dentro de las fibras, utilizaron un dispositivo de microespejos digitales, un chip cubierto de miles de diminutos espejos que pueden inclinarse para dirigir la luz en patrones precisos. Al programar estos espejos, pudieron controlar exactamente cómo las ondas de luz interferían entre sí mientras viajaban a través de la fibra, permitiéndoles enfocar la luz en un punto estrecho en el otro extremo.

Primero, los investigadores probaron el sistema con un solo canal de entrada. Programaron los espejos para crear un único punto de luz intenso al final de la fibra. Midieron el tamaño de este punto y descubrieron que era increíblemente pequeño, de unos 2.00 micrómetros de ancho, aproximadamente el tamaño de una bacteria. Esto es lo suficientemente pequeño como para atrapar un solo átomo. También comprobaron cómo se comportaba el punto al mover la fibra con respecto a la cámara, confirmando que el enfoque se mantenía nítido y se comportaba exactamente como lo haría una lente perfecta, a pesar de viajar a través de las rutas complejas y sinuosas dentro de la fibra.

El verdadero avance llegó cuando activaron ambos canales de entrada simultáneamente para crear dos trampas separadas. En el pasado, intentar enviar dos haces a través de una sola fibra causaba a menudo que interfirieran entre sí, creando un patrón de luz desordenado y cambiante que haría imposible mantener dos átomos en posiciones estables e independientes. Para evitar esto, los investigadores introdujeron una ligera diferencia en la frecuencia, o tono, de la luz en uno de los canales. Este pequeño desfase hizo que la interferencia entre los dos haces oscilara tan rápidamente que los átomos, que se mueven mucho más lentamente, simplemente sintieran el promedio de los dos haces. El resultado fueron dos trampas distintas y estables que podían posicionarse independientemente unas de otras.

El equipo probó entonces qué tan bien se podían controlar estas dos trampas. Programaron el sistema para colocar los dos puntos de luz a varias distancias entre sí y descubrieron que la distancia real entre las trampas coincidía casi perfectamente con sus objetivos previstos. Lo que es más importante, probaron la resiliencia del sistema ante la desalineación. En muchos sistemas ópticos, si la luz que entra en la fibra no se apunta perfectamente, el haz de salida se desplaza o tambalea. Sin embargo, los investigadores descubrieron que cuando desalinearon deliberadamente el haz de entrada para uno de los canales, la posición de la trampa resultante apenas se movió. En lugar de cambiar de ubicación, la trina simplemente se volvió más tenue. Esto significa que el sistema es muy permisivo; incluso si el equipo vibra o se desplaza ligeramente, los átomos permanecen sujetos en el mismo lugar exacto, lo cual es un requisito crítico para cualquier dispositivo que deba funcionar de manera fiable fuera de un laboratorio controlado.

Los investigadores también midieron cuánto interferían las dos trampas entre sí. Descubrieron que la luz destinada a una trampa se filtraba hacia la otra en un nivel tan bajo que era apenas detectable, comparable al ruido de fondo aleatorio de la propia cámara. Este alto nivel de aislamiento significa que los científicos podrían, por ejemplo, apagar una trampas para manipular un átomo específico sin perturbar a su vecino. Aunque los experimentos actuales utilizaron una potencia relativamente baja, los autores señalan que el método es compatible con láseres mucho más potentes, que serían necesarios para atrapar átomos en mayor número.

Este trabajo establece que los acopladores de fibra fusionada pueden servir como una plataforma compacta y robusta para crear matrices de trampas ópticas. Al combinar la flexibilidad de la fibra óptica con la capacidad de dar forma a la luz mediante el control digital, los investigadores han demostrado una forma de construir sistemas cuánticos que no solo son más pequeños y económicos, sino también mucho más estables frente a los golpes y sacudidas del mundo real. El siguiente paso para esta tecnología es utilizar estas trampas para capturar y organizar átomos reales, allanando el camino para redes y sensores cuánticos que puedan desplegarse en el campo en lugar de solo en un banco de laboratorio.