En física cuántica logran acoplar seis osciladores en uno

Un equipo del Instituto Federal Suizo de Tecnología ha creado un hexámero cuántico.

En la vida cotidiana, los osciladores mecánicos están presentes en herramientas que utilizamos sin siquiera notarlo.

Desde el péndulo de un reloj hasta los pistones de un motor, su función de convertir energía cinética en potencial y viceversa los hace esenciales para muchas tecnologías.

Sin embargo, su uso en aplicaciones más avanzadas, como los sistemas cuánticos, parecía limitado.

Esto ha comenzado a cambiar gracias a un avance reciente liderado por investigadores del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana (EPFL). Han creado un hexámero cuántico.

Un equipo liderado por Tobias J. Kippenberg ha logrado fusionar seis osciladores mecánicos en un único estado cuántico colectivo, lo que representa un paso crítico hacia el desarrollo de tecnologías cuánticas más complejas.

Este logro valida teorías previas sobre el comportamiento colectivo en sistemas cuánticos y establece un camino hacia la creación de computadoras cuánticas más poderosas y sensores ultra-precisos.

Un oscilador mecánico es cualquier dispositivo que pueda realizar un movimiento repetitivo.

Piense en el péndulo de un reloj, que oscila con precisión para medir el tiempo, o en un resorte, que almacena y libera energía mecánica de manera cíclica.

Pero cuando estos dispositivos se llevan al mundo de la física cuántica, su potencial se amplía considerablemente.

Según los autores del estudio, controlar osciladores mecánicos a nivel cuántico es clave para desarrollar futuras tecnologías, incluyendo sensores de alta precisión y componentes para computadoras cuánticas.

Este control se logra utilizando técnicas como el enfriamiento de banda lateral, que reduce las vibraciones térmicas del sistema para alcanzar su estado de energía más bajo.

Hasta ahora, la mayoría de los estudios se habían centrado en un solo oscilador.

Aunque esto fue suficiente para explorar conceptos básicos como el “enfriamiento al estado fundamental“, los sistemas más complejos requieren la interacción precisa entre múltiples osciladores.

Aquí es donde este nuevo avance resulta crucial y revelador.

Los investigadores de EPFL lograron acoplar seis osciladores en una configuración colectiva conocida como hexámero.

Este sistema fue diseñado en un entorno de optomecánica basado en circuitos superconductores, que permite minimizar las pérdidas de energía y controlar las interacciones a nivel cuántico.

Lo interesante es que, al combinar los osciladores, el sistema mostró una mejora significativa en propiedades cuánticas clave.

Un ejemplo lo encontramos en que el acoplamiento colectivo amplificó el enfriamiento de los modos mecánicos, permitiendo eliminar las vibraciones térmicas de manera más eficiente que con un oscilador individual.

Según los investigadores, el modo colectivo se enfrió hasta su estado fundamental cuántico, donde las fluctuaciones cuánticas del sistema se distribuyen uniformemente entre los seis osciladores.

Por otra parte, los científicos observaron la aparición de lo que se conoce como “modos oscuros“, estados cuánticos que no interactúan directamente con la cavidad del sistema.

Estos modos proporcionan información valiosa sobre los flujos de energía dentro del sistema cuántico, lo que allana el camino para aplicaciones futuras.

Controlar múltiples osciladores con precisión requiere que todos ellos compartan propiedades casi idénticas, como la frecuencia.

Esto es extremadamente difícil, ya que incluso pequeñas imperfecciones en la fabricación pueden introducir desajustes.

Para superar este desafío, los investigadores utilizaron técnicas avanzadas de diseño y nanofabricación.

El hexámero se creó utilizando cavidades de microondas y un diseño simétrico, donde cada oscilador interactúa con un modo de microondas común.

Estas cavidades también permitieron medir y ajustar las propiedades de cada oscilador con una precisión sin precedentes.

Al aumentar progresivamente la potencia de los acoplamientos optomecánicos, el sistema transitó de un comportamiento individual a uno colectivo, amplificando su respuesta cuántica.

Cuando un sistema cuántico interactúa con un campo electromagnético, como un láser o microondas, genera un fenómeno conocido como bandas laterales cuánticas.

Estas bandas son como las “huellas digitales” de cómo el sistema intercambia energía con su entorno. Hay dos tipos principales:

Banda Stokes: Ocurre cuando el sistema emite energía en forma de fonones (vibraciones cuánticas), lo que equivale a “liberar” energía hacia su entorno.
Banda anti-Stokes: Aparece cuando el sistema “absorbe” fonones, tomando energía de su entorno.

La asimetría de banda lateral se refiere a la diferencia entre estas dos bandas.

En un sistema que ha sido enfriado a su estado cuántico fundamental, la emisión de fonones (banda Stokes) es mucho más probable que la absorción (banda anti-Stokes).

Esto se debe a que, a temperaturas extremadamente bajas, el sistema tiene muy poca energía para absorber más y pasa la mayor parte del tiempo en su nivel de energía más bajo.

Este fenómeno es una señal clara de que el sistema está funcionando en un régimen cuántico.

Lo innovador del experimento del hexámero es que esta asimetría típica de sistemas individuales fue observada en un sistema colectivo de seis osciladores mecánicos.

Los osciladores, trabajando en sincronía, mostraron un comportamiento colectivo cuántico, distribuyendo las fluctuaciones de energía entre ellos y amplificando la asimetría entre las bandas Stokes y anti-Stokes.

Podemos establecer alguna analogías para entenderlo mejor.

Imagine un coro de seis cantantes. Cada uno, por sí solo, podría desafinar o cantar fuera de ritmo.

Sin embargo, bajo la dirección de un director, sus voces se alinean perfectamente, creando un sonido poderoso y armonioso.

En este caso, las emisiones de energía (banda Stokes) se amplifican por el trabajo conjunto, mientras que las “absorciones” (banda anti-Stokes) se suprimen, logrando un balance colectivo.

Pensemos en un enjambre de abejas volando juntas. Una abeja por sí sola no puede generar un impacto significativo, pero cuando el grupo se mueve como un solo ente, el enjambre es más eficiente para adaptarse al viento, desplazarse e incluso intimidar a depredadores.

En el hexámero, los osciladores mecánicos trabajan como un “enjambre cuántico“, coordinados para maximizar su emisión colectiva de energía y minimizar las pérdidas.

Un solo grano de arena no puede resistir la fuerza del viento. Pero si agrupa millones de ellos en una duna, juntos pueden desviar el viento y mantenerse estables.

En el caso del hexámero, los osciladores individuales no serían capaces de mostrar asimetría de banda lateral significativa por sí solos.

Sin embargo, acoplados colectivamente, logran un comportamiento robusto y sincronizado que resalta este fenómeno cuántico.

El éxito de este experimento tiene implicaciones que transcienden el laboratorio.

Según los autores, este enfoque colectivo podría revolucionar el diseño de sistemas cuánticos grandes y escalables.

Los modos oscuros y brillantes observados en el hexámero también son esenciales para aplicaciones como la metrología cuántica, que busca medir magnitudes físicas con una precisión sin precedentes.

Los resultados del estudio proporcionan además pruebas experimentales sólidas de teorías cuánticas previamente inexploradas.

Como se ha dicho, se observó una asimetría de banda lateral cuántica, una firma inequívoca de movimiento cuántico colectivo.

Este fenómeno, normalmente limitado a un solo oscilador, ahora se expandió a todo el sistema de seis osciladores.

De cara al futuro, integrar este tipo de sistemas con qubits superconductores podría abrir la puerta a simulaciones más avanzadas, como el modelo spin-bosón, utilizado para describir interacciones entre partículas cuánticas.

Fuente: Science