Los científicos de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) han logrado un gran avance al sincronizar seis osciladores mecánicos en un estado cuántico colectivo, lo que permite la observación de fenómenos únicos como la asimetría cuántica de banda lateral. Este avance allana el camino para la innovación en computación y detección cuánticas.
La tecnología cuántica está revolucionando nuestra comprensión del universo y un área prometedora son los osciladores mecánicos macroscópicos. Estos dispositivos, que ya son parte integral de los relojes de cuarzo, los teléfonos móviles y los láseres de telecomunicaciones, podrían desempeñar un papel transformador en el ámbito cuántico. A escala cuántica, los osciladores macroscópicos tienen el potencial de habilitar sensores ultrasensibles y componentes avanzados de computación cuántica, aportando innovaciones revolucionarias a múltiples industrias.
Lograr el control de los osciladores mecánicos a nivel cuántico es un paso clave hacia la realización de estas tecnologías futuras. Sin embargo, gestionarlos colectivamente plantea desafíos importantes, ya que requiere unidades casi idénticas y una precisión ultraalta.
La mayor parte de la investigación en óptica cuántica se centra en osciladores individuales, lo que demuestra fenómenos cuánticos como el enfriamiento del estado fundamental y la compresión cuántica. Pero este no es el caso del comportamiento cuántico colectivo, donde muchos osciladores actúan como una sola unidad. Si bien estas dinámicas colectivas son clave para crear sistemas cuánticos más fuertes, requieren un control excepcionalmente preciso de múltiples osciladores con propiedades casi idénticas.
Los científicos dirigidos por Tobias Kippenberg de la EPFL han logrado ahora un objetivo largamente buscado: lograron preparar seis osciladores mecánicos en un estado colectivo, observaron su comportamiento cuántico y midieron fenómenos que sólo ocurren cuando los osciladores actúan como un grupo. La investigación, publicada en Science, marca un importante paso adelante para la tecnología cuántica, al abrir la puerta a sistemas cuánticos a gran escala.
"Esto es posible gracias al grado extremadamente bajo de desorden entre las frecuencias mecánicas en la plataforma superconductora, tan solo el 0,1%", dijo Mahdi Chegnizadeh, primer autor del estudio. "Esta precisión permite a los osciladores entrar en un estado colectivo en el que se comportan como un sistema unificado en lugar de como componentes independientes".
Para observar los efectos cuánticos, los científicos utilizaron enfriamiento de banda lateral, una técnica que reduce la energía del oscilador al estado fundamental cuántico, la energía más baja permitida por la mecánica cuántica.
El enfriamiento de banda lateral funciona iluminando el oscilador con un láser cuya frecuencia es ligeramente menor que la frecuencia natural del oscilador. La energía de la luz interactúa con el sistema vibratorio, restándole energía. Este proceso es crucial para observar efectos cuánticos sutiles porque reduce las vibraciones térmicas, acercando el sistema a lo estacionario.
"Al aumentar el acoplamiento entre la cavidad de microondas y el oscilador, el sistema pasa de la dinámica individual a la dinámica colectiva. Aún más interesante, al preparar modos colectivos en el estado fundamental cuántico, observamos asimetría de banda lateral cuántica, que es característica del movimiento colectivo cuántico. Normalmente, el movimiento cuántico se limita a un solo objeto, pero aquí abarca todo el sistema oscilador", dice Marco Scigliuzzo, coautor del estudio.
Los investigadores también observaron velocidades de enfriamiento más altas y la aparición de modos mecánicos "oscuros", es decir, modos que no interactúan con la cavidad del sistema y mantienen energías más altas.
Estos hallazgos proporcionan una confirmación experimental de las teorías del comportamiento cuántico colectivo en sistemas mecánicos y abren nuevas posibilidades para explorar los estados cuánticos. Estos hallazgos también tienen implicaciones importantes para las tecnologías cuánticas futuras, ya que la capacidad de controlar el movimiento cuántico colectivo en sistemas mecánicos podría permitir la detección cuántica y el entrelazamiento multipartito.
Compilado de /scitechdaily