Amplificación espectacular de interacciones cuánticas

La cuestión de dónde está la frontera entre la física clásica y la física cuántica es una de las más antiguas de la investigación científica moderna, pero indagar sobre esa cuestión ha venido resultando extremadamente difícil.

Ahora, científicos han demostrado un nuevo sistema capaz de amplificar en varios órdenes de magnitud interacciones cuánticas, facilitando así el observarlas y aumentando las probabilidades de hallar las respuestas a las preguntas que tanto intrigan a la comunidad científica.

Las leyes de la física cuántica rigen el comportamiento de las partículas a escalas minúsculas, dando lugar a fenómenos como el entrelazamiento cuántico, en el que las propiedades de las partículas entrelazadas quedan íntimamente unidas de formas que no puede explicar la física clásica.

La investigación en física cuántica ayuda a llenar lagunas en el conocimiento de la física y puede darnos una imagen más completa de la realidad que nos envuelve, pero las diminutas escalas a las que operan los sistemas cuánticos pueden dificultar notablemente su observación y estudio.

En el último siglo, se ha conseguido observar con éxito fenómenos cuánticos en objetos cada vez más grandes.

Se comenzó observándolos en partículas subatómicas como los electrones, pero ahora se observan hasta en moléculas que contienen miles de átomos.

Más recientemente, la optomecánica levitada, que se ocupa de controlar en el vacío a objetos que son mantenidos suspendidos flotando y que, si bien resultan pequeños para nuestros criterios cotidianos, son de gran masa en comparación con átomos y moléculas, busca ir más allá y probar la validez de los fenómenos cuánticos en objetos que son varios órdenes de magnitud más pesados que los átomos y las moléculas.

Sin embargo, a medida que aumentan la masa y el tamaño de un objeto, las interacciones que dan lugar a características cuánticas delicadas, como el entrelazamiento cuántico, se pierden en el entorno, dando lugar al comportamiento clásico que observamos en nuestra vida cotidiana.

Pero ahora, el equipo internacional encabezado por Jayadev Vijayan, que dirige el Laboratorio de Ingeniería Cuántica en la Universidad de Manchester, Reino Unido, ha dado con un nuevo modo de superar este problema mediante un experimento realizado en el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH).

Para observar fenómenos cuánticos a mayor escala y obtener datos nuevos y reveladores sobre la transición clásico-cuántica, es necesario preservar las características cuánticas en presencia del “ruido” del entorno.

Hay dos maneras de hacerlo: una es suprimir el ruido y la otra es amplificar los rasgos cuánticos.

La investigación llevada a cabo por el equipo de Vijayan demuestra un modo de hacerlo mediante el segundo enfoque.

Los autores del estudio han comprobado que las interacciones necesarias para el entrelazamiento cuántico entre dos partículas de vidrio de 0,1 micrómetros atrapadas ópticamente pueden ser amplificadas en varios órdenes de magnitud para contrarrestar las pérdidas provocadas por el ruido del entorno.

Los científicos colocaron las partículas entre dos espejos altamente reflectantes que forman una cavidad óptica.

De este modo, los fotones dispersados por cada partícula rebotan entre los espejos varios miles de veces antes de salir de la cavidad, lo que conlleva una probabilidad significativamente mayor de interactuar con la otra partícula.

Los investigadores también demuestran la notable capacidad de ajustar o controlar con precisión la intensidad de la interacción variando las frecuencias del láser y la posición de las partículas dentro de la cavidad.

Ahora, el equipo de investigadores combinará las nuevas capacidades con técnicas de enfriamiento cuántico bien establecidas, con el fin de intentar generar y corroborar un entrelazamiento cuántico en esa escala de masas.

Si se consigue, ese entrelazamiento de nanopartículas o quizá incluso micropartículas, en levitación, podría acortar drásticamente la distancia entre la mecánica cuántica y la mecánica clásica cotidiana.

Fuente: Nature Physics