Las redes cuánticas prometen comunicaciones seguras y computación distribuida, pero carecen de memoria integrable en un chip y que opere en la longitud de onda de la fibra óptica. Los conjuntos atómicos almacenan bien los fotones, pero ocupan toda una mesa óptica. Los análogos en estado sólido o no alcanzan la banda de telecomunicaciones o no pueden liberar la información a petición. En el archivo cercano hay trabajos sobre trampas de luz, buffers para el internet cuántico y enfriamiento de discos mecánicos: todos buscan cómo retener un estado cuántico en un dispositivo compacto. Este artículo sigue esa misma línea, pero apuesta por las vibraciones mecánicas de un puente nanométrico.
Dentro de un criostato a 20 mK se encuentra un cristal optomecánico de silicio: un resonador óptico a 1538 nm acoplado a un modo mecánico de 5314 MHz. Un láser sintonizado en la resonancia lateral roja crea una ventana de transparencia mediante transparencia inducida optomecánicamente (OMIT). Los fotones de señal, generados modulando ese mismo láser, entran en esa ventana y se convierten en fonones. Para evitar el calentamiento, el pulso de escritura se hace largo y débil, mientras que el de lectura es corto. Cuatro etalones de Fabry-Pérot en cascada filtran la luz de control y dejan pasar solo fotones individuales hacia el detector.
La memoria retuvo un pulso de fotones durante 150 ns y lo devolvió a petición con una eficiencia interna del 4,2%. Durante el almacenamiento, el número medio de fonones en el resonador fue de 0,32, es decir, menos de un cuanto. Cuando se redujo la potencia del pulso de lectura hasta que la excitación térmica bajó a 0,17, la eficiencia cayó a 5×10⁻⁵. Los autores subrayan que la baja eficiencia solo limita la tasa de eventos, no la pureza del estado cuántico, porque las coincidencias eliminan el ruido.
Este trabajo se distingue de los vecinos porque demuestra por primera vez una memoria absorbente en un chip optomecánico en la banda de telecomunicaciones y cerca del límite cuántico. Los experimentos previos con membranas permanecían en el régimen clásico, y los protocolos de emisión no servían para fuentes externas de fotones. Aquí, en cambio, la señal llega desde fuera, se almacena en un grado de libertad mecánico y se extrae a demanda. Esto conecta dos ramas: la óptica cuántica y la nanomecánica.
El siguiente paso es aumentar el tiempo de almacenamiento mediante pantallas acústicas y cristales optomecánicos bidimensionales que disipen mejor el calor. Es posible la integración con fuentes de fotón único y pares entrelazados: las coincidencias filtrarán el ruido y permitirán probar protocolos de distribución de entrelazamiento. Mejorar el factor de calidad del resonador y ajustar los anchos de banda elevará la eficiencia en órdenes de magnitud.
El resultado será útil en repetidores cuánticos y computación cuántica distribuida, donde se necesita memoria compatible con fibra óptica y chips.
Optimizar el régimen térmico y los parámetros de los pulsos, añadir una pantalla acústica para prolongar el tiempo de almacenamiento y probar el funcionamiento con una fuente de fotón único.
Para la memoria cuántica sigue sin resolverse la contradicción entre eficiencia y ruido térmico: una luz de control intensa calienta el resonador, mientras que una débil reduce la probabilidad de escritura. Este trabajo muestra que es posible mantener la ocupación de fonones por debajo de uno, pero a costa de la eficiencia. El progreso futuro requiere materiales con mejor conductividad térmica y esquemas de compresión de banda.
La frecuencia de vibración mecánica del resonador, 5314 MHz, es cien mil veces mayor que la de un diapasón. A 20 mK, este oscilador no contiene en promedio ni un solo fonón térmico.
En la serie 'The Expanse', el entrelazamiento cuántico se usa para comunicarse al instante a través del sistema solar. Estas redes requieren memoria que guarde el fotón mientras llega la confirmación de que la otra mitad del par ha sido entregada.