Generating spatially separated correlated multiphoton states in nonlinear waveguide quantum electrodynamics

En el mundo de la tecnología cuántica, los científicos buscan constantemente formas de hacer que la luz se comporte de maneras que la naturaleza no suele permitir. La luz, compuesta por partículas llamadas fotones, normalmente viaja a través del espacio sin interactuar con otros fotones; pasan uno a través del otro como fantasmas. Para construir computadoras cuánticas potentes o sensores ultraprecisos, los investigadores necesitan que los fotones se unan, formando grupos complejos y correlacionados que transporten información de formas que las partículas individuales no pueden. El desafío ha sido que las fuerzas necesarias para hacer que estas partículas interactúen son increíblemente débiles en la mayoría de los materiales. Durante años, el enfoque estándar consistió en utilizar diminutos átomos artificiales para forzar la colisión de los fotones, pero este método a menudo tenía dificultades para crear grandes grupos de partículas de manera eficiente o para separarlos una vez formados.

Un equipo de investigadores ha propuesto ahora una nueva arquitectura que supera estos obstáculos al dar la vuelta a las reglas habituales de la interacción luz-materia. En lugar de intentar que los fotones colisionen directamente, diseñaron un sistema donde un solo fotón entra en una guía de ondas especializada y se transforma en un par de fotones ligados, que luego se transforma en un trío, y así sucesivamente. Este proceso se basa en un truco ingenioso que involucra "átomos gigantes": átomos artificiales que se conectan a la guía de ondas en múltiples puntos en lugar de uno solo. Al ajustar cuidadosamente estas conexiones, los investigadores demostraron, mediante simulaciones detalladas, que podían convertir un solo fotón en un flujo de grupos de fotones correlacionados, cada uno de los cuales se mueve a una velocidad diferente. Esto permite que los diferentes grupos se separen naturalmente en el espacio y el tiempo, creando un flujo ordenado y programable de estados cuánticos listos para su uso en tecnologías avanzadas.

El núcleo de este trabajo reside en una guía de ondas no lineal, un canal microscópico compuesto por una serie de cavidades conectadas. Dentro de cada cavidad, un material especial crea una fuerte interacción entre los fotones, haciendo que se repelan o se atraigan efectivamente, dependiendo de la configuración. En esta propuesta específica, la guía de ondas está poblada con emisores de dos niveles excitados, que son esencialmente átomos artificiales sintonizados a una frecuencia que no coincide con la de la luz entrante. En los montajes tradicionales, si un átomo no está perfectamente sintonizado con la luz, simplemente la ignora. Sin embargo, los investigadores descubrieron que, al colocar estos emisores en un rango de energía "prohibido" específico, podían desencadenar un proceso de dispersión único. Cuando un solo fotón choca con uno de estos emisores excitados, este no rebota ni es absorbido de la manera habitual. En su lugar, la energía del fotón y del átomo se combinan para crear un nuevo par de fotones estables que viajan juntos como una sola unidad. Los investigadores llaman a esta unidad un "doublon".

Esta transformación es el primer paso de un proceso de múltiples etapas. Una vez formado el doublon, este continúa por la guía de ondas hasta que encuentra un segundo emisor excitado. Debido a que el doublon posee más energía que un fotón individual, interactúa con este segundo emisor para crear un grupo aún mayor: un trío de fotones que viajan juntos, conocido como "triplon". Los investigadores describen esto como un efecto en cascada, donde el sistema actúa como un amplificador del número de fotones, convirtiendo una partícula en dos, luego en tres y, potencialmente, en más. Lo que hace que este mecanismo sea particularmente poderoso es cómo maneja la dirección del movimiento. En muchos intentos anteriores, la creación de estos grupos resultaba en la dispersión de las partículas en todas direcciones, lo que las hacía difíciles de capturar. Aquí, los investigadores introdujeron el concepto de un "átomo pseudo-gigante". Aunque el emisor físico es un punto único, la descripción matemática de cómo interactúa con los pares de fotones ligados revela que se comporta como si estuviera conectado a la guía de ondas en muchos puntos diferentes simultáneamente.

Al utilizar una configuración de "átomo gigante" real —donde un único emisor está físicamente conectado a la guía de ondas en múltiples ubicaciones distintas—, el equipo pudo controlar los patrones de interferencia de la luz. Este control les permite dirigir los grupos de fotones recién formados para que se muevan en una sola dirección, suprimiendo cualquier dispersión hacia atrás. En sus simulaciones, demostraron que, con la configuración adecuada, podían convertir el 95% de un fotón entrante en un doublon que se desplaza hacia adelante. Cuando extendieron esto a una segunda etapa para crear triplones, la eficiencia de conversión se mantuvo alta, alrededor del 90%. Este nivel de control es una desviación significativa de los métodos anteriores, que a menudo dependían de la dispersión resonante donde el átomo y la luz deben coincidir perfectamente en frecuencia, una condición difícil de mantener y que a menudo conduce a la pérdida de energía.

Quizás la característica más sorprendente de este sistema es cómo clasifica los resultados automáticamente. Debido a que el fotón individual, el par y el trío tienen estructuras internas diferentes, todos viajan a velocidades distintas. El fotón individual se mueve más rápido, el par se mueve más lento y el trío es el más lento. A medida que viajan por la guía de ondas, esta diferencia de velocidad hace que se separen naturalmente en el espacio. Los investigadores descubrieron que, tras una corta distancia, los tres grupos distintos estarían completamente separados en el espacio, llegando en tiempos diferentes. Esto significa que el sistema produce una salida que es, en realidad, una superposición de tres estados cuánticos diferentes, cada uno ocupando su propio intervalo de tiempo. Los investigadores demostraron que, ajustando la fuerza de las conexiones entre el áto gigante y la guía de ondas, podían programar la mezcla exacta de estos estados, decidiendo cuánto de la salida debería ser de fotones individuales, cuánto de pares y cuánto de tríos.

El artículo enfatiza que estos resultados se basan en simulaciones numéricas rigurosas utilizando herramientas de mecánica cuántica establecidas, en lugar de experimentos físicos realizados en un laboratorio. Los investigadores modelaron el sistema utilizando parámetros que son actualmente alcanzables en circuitos superconductores, una plataforma líder para la computación cuántica. Calcularon que todo el proceso tendría lugar en unos pocos microsegundos, dentro de los límites de tiempo que el hardware cuántico actual puede mantener antes de perder sus delicadas propiedades cuánticas. Las simulaciones confirmaron que el sistema conserva la energía y la probabilidad, asegurando que el fotón de entrada se transforme de manera fiable en los estados de salida deseados sin desaparecer en el ruido. Los investigadores también señalaron que este enfoque evita la necesidad de matrices complejas de muchos emisores para lograr la separación, basándose en cambio en las diferencias intrínsecas de velocidad de los estados ligados.

Este trabajo sugiere una nueva vía para generar recursos cuánticos bajo demanda. Al crear grupos de fotones correlacionados y espacialmente separados, el sistema podría servir como una herramienta versátil para la simulación cuántica, donde los científicos imitan el comportamiento de materiales complejos, o para la metrología cuántica, que implica realizar mediciones extremadamente precisas. La capacidad de generar "qubits voladores" que están entrelazados no solo en su estado interno, sino también en su tiempo de llegada y número de fotones, abre nuevas posibilidades para codificar información. Los investigadores proponen que esta arquitectura cierra la brecha entre la óptica no lineal y el estudio de la física de muchos cuerpos, ofreciendo una forma escalable de crear formas exóticas de materia fotónica. Si bien el artículo no pretende haber resuelto todos los desafíos de la ingeniería cuántica, proporciona un plano concreto y teóricamente sólido para generar estados multifotónicos que son altamente correlacionados y fácilmente separables, una combinación que ha sido esquiva en enfoques previos.