En un logro que podría ayudar a la existencia de computadoras cuánticas rápidas, físicos de la Universidad de Michigan han construido una mejor trampa de átomos de Rydberg
Los átomos de Rydberg son unos gigantes altamente excitados, cuasi-ionizados, que pueden ser miles de veces más grandes que sus contrapartes en el estado fundamental.
Como resultado de su tamaño, las interacciones entre los átomos de Rydberg pueden ser de alrededor de un millón de veces más fuertes que entre los átomos ordinarios. Esta es la razón por la que podrían servir como circuitos cuánticos más rápidos, dice Georg Raithel, jefe asociado y profesor en el Departamento de Física. Las computadoras cuánticas pueden resolver problemas que resultan muy complicados para los equipos convencionales. Muchos científicos creen que el futuro de la computación se encuentra en el dominio cuántico.
El artículo sobre esta investigación se publica en el ejemplar actual de Physical Review Letters. El trabajo será presentado en la reunión de la División de la American Physical Society’s Division of Atomic, Molecular and Optical Physics a finales de mayo.
El equipo de Raithel atrapó los átomos en lo que se llama una rejilla óptica, una «jaula» formada por rayos láser que se interfieren.
«La rejilla óptica es mejor que cualquier otra trampa de átomos de Rydberg para el procesamiento de información cuántica o para la espectroscopia de alta precisión», dijo Raithel. «En comparación con otras trampas, las rejillas ópticas reducen al mínimo los cambios de niveles de energía en los átomos, lo cual es importante para estas aplicaciones.»
Raithel y los estudiantes de doctorado de física Kelly Younge y Sarah Anderson empezaron con átomos en estado fundamental del metal blando rubidio. A temperatura ambiente, los átomos zumban en torno a la velocidad del sonido, a unos 300 metros por segundo. Los investigadores impactaron un láser sobre ellos para enfriarlos y frenarlos a 10 centímetros por segundo.
«Esa es aproximadamente la velocidad de un mosquito», dijo Younge. «Los láseres de enfriamiento, combinados con con un campo magnético, nos permiten atrapar los átomos en estado fundamental. Luego excitamos los átomos hacia los estados de Rydberg.»
En un átomo de rubidio, sólo un electrón ocupa la capa externa de valencia. Con láseres ajustados con precisión, los investigadores excitaron este electrón de tal modo que se movió 100 veces más lejos del núcleo del átomo, lo que lo hace clasificar como átomo de Rydberg. Este electrón de valencia, en este caso, está tan lejos del núcleo que se comporta casi como si fuera un electrón libre.
Para atrapar a los átomos de Rydberg, los investigadores aprovecharon de lo que se llama la «fuerza ponderomotriz», que les permite retener un átomo al sostener un electrón, la única partícula en la capa de valencia de los átomos de rubidio de Rydberg. La rejilla óptica, formada con intensos rayos láser que se interfieren, es lo que proporciona esta fuerza ponderomotriz.
«El campo del láser aferra el electrón, que se comporta casi como si fuera libre, pero la fuerza atómica débil de vinculación residual mantiene el átomo junto al electrón. En efecto, el átomo entero es atrapado por los rayos láser», dice Raithel.
Los físicos utilizaron una técnica llamada «espectroscopia de microondas» para determinar cómo afectaba la rejilla a los átomos de Rydberg, y, en general, cómo se comportaban los átomos en la trampa.
«En esencia, podíamos seguir el movimiento de los átomos durante el experimento. Podíamos decir si los átomos estaban asentados en el fondo de un valle en el campo electromagnético, o si hacían un itinerario por muchas depresiones. De esta manera, podíamos optimizar el rendimiento de la trampa «, dijo Younge.
El artículo se titula «State-dependent Energy Shifts of Rydberg Atoms in a Ponderomotive Optical Lattice».
Esta investigación es financiada por la National Science Foundation y el Programa de Becas de Posgrado de Ciencia e Ingeniería de Defensa Nacional de los Estados Unidos.
Fuente: Universidad de Michigan. Aportado por Eduardo J. Carletti
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