Las vibraciones cuánticas de los átomos en sólidos, conocidas como fonones, son una de las principales fuentes de ruido en los sistemas cuánticos de estado sólido. Este fenómeno puede provocar la decoherencia, un proceso que afecta negativamente al rendimiento de tecnologías cuánticas. En este contexto, un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard y otras instituciones ha desarrollado una innovadora estrategia para controlar las interacciones entre fonones de alta frecuencia y sistemas cuánticos individuales.
Su enfoque, detallado en un estudio publicado en Nature Physics, se basa en la creación de cristales fonónicos de diamante. Estas estructuras permiten modificar la densidad local de estados en un material huésped, lo que resulta crucial para mitigar los efectos adversos de las vibraciones cuánticas.
Según Kazuhiro Kuruma, primer autor del artículo, «la capacidad de controlar los fonones en sólidos es esencial, ya que a menudo actúan como una fuente de ruido y decoherencia para los sistemas cuánticos de estado sólido». El objetivo principal del estudio era demostrar cómo los cristales fonónicos pueden suprimir procesos espontáneos de un solo fonón que inducen la decoherencia en sistemas cuánticos individuales.
Control preciso de los fonones
Los investigadores lograron diseñar y fabricar cristales fonónicos de diamante con una precisión a escala nanométrica, integrando centros de color de vacantes de silicio en su interior. A través de sus cristales recién fabricados, el equipo observó una reducción de 18 veces en la tasa de relajación orbital inducida por fonones, lo que sugiere que estos cristales son efectivos para suprimir procesos de un solo fonón en los centros de color.
Kuruma explicó que uno de los mayores desafíos del estudio fue la fabricación de los cristales fonónicos en diamante. «Optimizamos cuidadosamente un proceso de grabado de diamante para crear estos cristales con características muy pequeñas de hasta 20 nm en diamante de un solo cristal», comentó.
Los nuevos cristales fonónicos de diamante diseñados por el equipo fueron utilizados con éxito para controlar las interacciones entre los fonones de alta frecuencia y los centros de color. Específicamente, los investigadores encontraron que estos cristales pueden suprimir las interacciones entre fonones individuales y un emisor cuántico a temperaturas de hasta 20K.
Kuruma añadió que «demostramos cristales fonónicos que pueden suprimir fonones de alta frecuencia de 50 a 70 GHz». Además, se evidenció que los procesos espontáneos de un solo fonón en sistemas cuánticos individuales son suprimidos por los cristales fonónicos, incluso al incrementar las temperaturas hasta 20 K.
El enfoque utilizado por este equipo de investigadores y los cristales fonónicos que fabricaron podrían contribuir al desarrollo de tecnologías cuánticas avanzadas que se beneficiarían del control fiable de las interacciones de fonones. Esto incluye redes fonónicas cuánticas y sistemas acústicos cuánticos, abriendo nuevas vías en el campo emergente de la acustodinámica, que se centra en fenómenos cuánticos relacionados con ondas acústicas.
Los resultados de este estudio no solo permiten el control eficiente de fonones de alta frecuencia para aplicaciones en procesamiento de señales de radiofrecuencia, optomecánica, fonónica no lineal y termoelectricidad, sino que también podrían mejorar las propiedades de los sistemas cuánticos de estado sólido a temperaturas más elevadas.
