Control de fenómenos cuánticos a temperatura ambiente

Investigadores del EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana) han combinado la física cuántica y la ingeniería mecánica para lograr el control de fenómenos cuánticos a temperatura ambiente. En el ámbito de la mecánica cuántica, la capacidad de observar y controlar fenómenos cuánticos a temperatura ambiente ha sido difícil de alcanzar durante mucho tiempo, especialmente a gran escala o "macroscópica". Tradicionalmente, este tipo de observaciones se han limitado a entornos cercanos al cero absoluto, donde los efectos cuánticos son más fáciles de detectar. Pero el requisito de frío extremo ha sido un obstáculo importante, que limita las aplicaciones prácticas de las tecnologías cuánticas. "Alcanzar el régimen de la optomecánica cuántica a temperatura ambiente ha sido un desafío abierto desde hace décadas", dice Tobias J. Kippenberg, profesor en el Instituto de Física de la Materia Condensada en el EPFL y uno de los autores del estudio, publicado en Nature. "Nuestro trabajo hace realidad de manera efectiva el microscopio de Heisenberg, que durante mucho tiempo se pensó que era sólo un modelo de juguete teórico". En su configuración experimental los investigadores crearon un sistema optomecánico de ruido ultrabajo: una configuración donde la luz y el movimiento mecánico se interconectan, lo que les permite estudiar y manipular cómo la luz influye en los objetos en movimiento con alta precisión. El principal problema de la temperatura ambiente es el ruido térmico, que perturba la delicada dinámica cuántica. Para minimizar eso, los científicos utilizaron espejos de cavidad, que son espejos especializados que hacen rebotar la luz hacia adelante y hacia atrás dentro de un espacio confinado (la cavidad), "atrapándola" efectivamente y mejorando su interacción con los elementos mecánicos del sistema. Para reducir el ruido térmico, los espejos están modelados con estructuras periódicas similares a cristales ("cristales fonónicos"). Otro componente crucial fue un dispositivo parecido a un tambor de 4 mm llamado oscilador mecánico, que interactúa con la luz dentro de la cavidad. Su tamaño y diseño relativamente grandes son clave para aislarlo del ruido ambiental, permitiendo detectar fenómenos cuánticos sutiles a temperatura ambiente. "El tambor que utilizamos en este experimento es la culminación de muchos años de esfuerzo para crear osciladores mecánicos que estén bien aislados del entorno", dice Engelsen. "Las técnicas que utilizamos para abordar fuentes de ruido complejas y notorias son de gran relevancia e impacto para la comunidad más amplia de detección y medición de precisión", afirma Guanhao Huang, uno de los dos estudiantes de doctorado que lideran el proyecto. La configuración permitió a los investigadores lograr la "compresión óptica", un fenómeno cuántico en el que ciertas propiedades de la luz, como su intensidad o fase, se manipulan para reducir las fluctuaciones en una variable a expensas de aumentar las fluctuaciones en la otra, como dicta el principio de Heisenberg. Al demostrar la compresión óptica a temperatura ambiente en su sistema, los investigadores demostraron que podían controlar y observar eficazmente los fenómenos cuánticos en un sistema macroscópico sin la necesidad de temperaturas extremadamente bajas. El equipo cree que la capacidad de operar el sistema a temperatura ambiente ampliará el acceso a los sistemas optomecánicos cuánticos, que son bancos de pruebas establecidos para la medición cuántica y la mecánica cuántica a escalas macroscópicas. "El sistema que desarrollamos podría facilitar nuevos sistemas cuánticos híbridos en los que el tambor mecánico interactúa fuertemente con diferentes objetos, como nubes de átomos atrapados", añade Alberto Beccari, el otro estudiante de doctorado que dirige el estudio. "Estos sistemas son útiles para la información cuántica y nos ayudan a comprender cómo crear estados cuánticos grandes y complejos".