El enrutamiento de señales y su aislamiento contra el ruido y los reflejos son esenciales en muchas situaciones prácticas en la comunicación clásica, así como en el procesamiento cuántico. En una colaboración teórico-experimental, un equipo dirigido por Andreas Nunnenkamp de la Universidad de Viena y Ewold Verhagen con sede en el instituto de investigación AMOLF en Amsterdam logró el transporte unidireccional de señales en pares de « calles de sentido único ». Esta investigación publicada en Nature Physics abre nuevas posibilidades para dispositivos de señalización más flexibles.
Los dispositivos que permiten enrutar señales, por ejemplo, transportadas por ondas de luz o sonido, son esenciales en muchas situaciones prácticas. Este es, por ejemplo, el caso en el procesamiento de información cuántica, donde los estados de la computadora cuántica deben amplificarse para leerlos, sin que el ruido del proceso de amplificación los corrompa. Es por eso que los dispositivos que permiten que las señales viajen en un canal unidireccional, por ejemplo, aisladores o circuladores, son muy buscados. Sin embargo, en la actualidad, estos dispositivos tienen pérdidas, son voluminosos y requieren grandes campos magnéticos que rompen la simetría de inversión de tiempo para lograr un comportamiento unidireccional. Estas limitaciones han motivado grandes esfuerzos para encontrar alternativas que ocupen menos espacio y que no dependan de los campos magnéticos.
El nuevo estudio publicado en Nature Physics presenta una nueva clase de sistemas caracterizados por un fenómeno que los autores llaman « no reciprocidad en cuadratura ». La no reciprocidad en cuadratura explota la interferencia entre dos procesos físicos distintos. Cada uno de los procesos produce una onda que contribuye a la señal transmitida. Al igual que las ondas de agua producidas por dos guijarros lanzados, las dos ondas pueden cancelarse o amplificarse entre sí, en un fenómeno conocido como interferencia.
Esto permite la transmisión unidireccional de señales sin interrupción de inversión de tiempo y conduce a una dependencia distintiva de la fase, es decir, la cuadratura, de la señal. “En estos dispositivos, la transmisión depende no solo de la dirección de la señal, sino también de la cuadratura de la señal”, dice Clara Wanjura, autora principal teórica del estudio. « Esto realiza una ‘carretera de doble calzada’ para las señales: una cuadratura se transmite en una dirección y la otra cuadratura en la dirección opuesta. La simetría de inversión de tiempo obliga a que las cuadraturas siempre viajen en pares a lo largo de direcciones opuestas en dos carriles separados ».
El equipo experimental de AMOLF ha demostrado este fenómeno experimentalmente en un sistema nanomecánico donde las interacciones entre las vibraciones mecánicas de pequeñas cuerdas de silicio son orquestadas por luz láser. La luz láser ejerce fuerzas sobre las cuerdas, mediando así las interacciones entre sus diferentes « tonos » de vibración. Jesse Slim, el autor principal experimental del estudio, dice: « Hemos desarrollado una caja de herramientas experimental versátil que nos permitió controlar los dos tipos diferentes de interacciones que se necesitan para implementar la no reciprocidad en cuadratura. De esta manera, podríamos revelar el transporte unidireccional resultante de la señales experimentalmente ».
El trabajo abre nuevas posibilidades para el enrutamiento de señales y la amplificación cuántica limitada, con aplicaciones potenciales en el procesamiento y la detección de información cuántica.