Un equipo de investigación de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard, en colaboración con múltiples instituciones internacionales, ha logrado observar por primera vez con éxito el efecto Purcell acústico en nanoestructuras de diamante. El estudio utilizó un único centro de vacancia de silicio como cúbit de espín y, mediante el diseño de un resonador nanomecánico de frecuencia de microondas, logró un aumento de aproximadamente diez veces en la tasa de relajación del espín, con una cooperatividad espín-fonón resultante de aproximadamente 10, estableciendo un nuevo récord.
Según el artículo publicado el 6 de mayo en la revista Nature, el equipo de investigación construyó un resonador nanomecánico de frecuencia de microondas especialmente diseñado alrededor de un cúbit de espín de centro de color en diamante, y realizó mediciones de espectroscopía láser a nivel de fotón único a temperaturas de milikelvin. El experimento mostró que cuando el cúbit de espín se sintonizaba en resonancia con un modo acústico de 12 GHz, su tasa de relajación de espín se aceleraba diez veces en comparación con el espacio libre, confirmando directamente la predicción central del efecto Purcell acústico. Además, el equipo también utilizó este centro de color como sonda a escala atómica para medir el espectro de fonones de banda ancha de la nanoestructura en frecuencias de hasta 28 GHz.
El efecto Purcell, propuesto por el físico Edward Purcell en 1946, describe cómo una cavidad resonante electromagnética puede alterar la tasa de emisión espontánea de un emisor colocado en su interior, y desde entonces ha encontrado amplias aplicaciones en los campos de la computación y la comunicación cuánticas. El efecto Purcell acústico es el análogo de este efecto en sistemas fonónicos, utilizando ondas sonoras en lugar de ondas luminosas para controlar estados cuánticos. El equipo de Harvard ha logrado por primera vez replicar con éxito este mecanismo en un átomo artificial de estado sólido, llenando un vacío experimental que persistía en sistemas acústicos de estado sólido durante casi 80 años desde la propuesta de la teoría.
El centro de vacancia de silicio es un defecto puntual en el diamante formado por un solo átomo de silicio que sustituye a dos átomos de carbono. Su estado fundamental orbital es degenerado y altamente sensible a la deformación local, y la fuerza de su acoplamiento electrón-fonón es inherentemente superior a la de otros sistemas de centros de color. El equipo aprovechó esta característica, utilizando el resonador nanomecánico para redistribuir la densidad de estados fonónicos y acelerar selectivamente el canal de relajación del espín mediante la emisión de fonones. Las mediciones mostraron que la cooperatividad espín-fonón del sistema alcanzó aproximadamente 10, lo que indica que el sistema ha superado el umbral crítico necesario para la manipulación cuántica coherente, permitiendo que los fonones extraigan información del cúbit de manera eficiente sin ser ahogados por el ruido ambiental.
Este trabajo de investigación fue liderado por la Universidad de Harvard y completado en colaboración con equipos de investigación de Japón, Europa y otras regiones. El artículo cuenta con un total de 12 coautores, incluyendo a Graham Joe, Michael Haas, Kazuhiro Kuruma, Chang Jin, Dongyeon Daniel Kang, Sophie Weiyi Ding, Cleaven Chia, Hana Warner, Benjamin Pingault, Bartholomeus Machielse, Srujan Meesala y Marko Loncar. Este modelo de colaboración intercontinental abarcó la cadena técnica completa, desde la preparación de materiales de diamante y el procesamiento de nanoestructuras hasta las mediciones cuánticas a baja temperatura.
Este logro abre un canal directo para la conversión de señales entre cúbits de estado sólido y dispositivos acústicos superconductores, con el potencial de reconfigurar los métodos de interconexión en nodos de redes cuánticas. En primer lugar, los fonones pueden actuar como "transductores cuánticos universales" entre diferentes sistemas físicos, permitiendo la transferencia de información entre cúbits superconductores y centros de color de estado sólido. En segundo lugar, esta tecnología puede convertirse directamente en memorias cuánticas mecánicas, proporcionando una base física para la sincronización y el almacenamiento temporal de información en redes de computación cuántica distribuida. En tercer lugar, el efecto Purcell acústico puede convertir el ruido de fonones en un recurso para mejorar la tasa de polarización del espín, ofreciendo una sensibilidad superior a los límites actuales para la detección cuántica.
En el contexto actual de aceleración de la competencia internacional en computación cuántica, este logro del equipo de Harvard establece una base experimental para la emergente área de la "interconexión cuántica acústica". Actualmente, varios laboratorios nacionales de todo el mundo han iniciado sucesivamente programas de investigación sobre interfaces cuánticas acústicas de estado sólido, y se espera que en los próximos dos años, los prototipos de transductores y repetidores cuánticos basados en el efecto Purcell acústico entren progresivamente en la fase de verificación de principio.