Un único grano microscópico de vidrio que levita en un haz de luz acaba de abrir una nueva ventana al reino cuántico.
En lo que podría ser la discoteca más pequeña del mundo, los físicos entrelazaron las propiedades del grano con las de la luz de manera tan estrecha que una no podía describirse sin incluir la otra.
Esto es entrelazamiento cuántico, y este experimento marca la primera demostración de entrelazamiento persistente entre el movimiento de un objeto levitado y la luz que se aleja de él, todo ello sin enfriar criogénicamente el aparato.
Es un hito que, según los investigadores, podría abrir nuevas vías para la comunicación cuántica y las pruebas de la física cuántica.
“Siempre me ha fascinado la posibilidad de observar efectos cuánticos en sistemas macroscópicos, algo que ocurre especialmente en experimentos de optomecánica cuántica”, dijo a ScienceAlert el físico Francesco Marin de la Universidad de Florencia en Italia.
Él y sus colegas ya habían demostrado que podían utilizar la luz para enfriar el movimiento de una nanoesfera de vidrio levitante, llevándola al extraño dominio donde los efectos cuánticos empiezan a adquirir importancia.
“Mi siguiente objetivo era impulsar la interacción entre la luz y el movimiento de la nanoesfera hasta el punto de generar entrelazamiento, posiblemente el fenómeno más definitorio y contraintuitivo de la mecánica cuántica”, dijo Marin.
El entrelazamiento es una de las consecuencias más extrañas de la mecánica cuántica: las propiedades de dos objetos se correlacionan tan profundamente que ya no se pueden describir completamente de forma independiente.
Los físicos lo han demostrado innumerables veces con las diminutas partículas que habitan el reino cuántico: fotones y átomos, por ejemplo.
Incluso a esta escala, las delicadas correlaciones del entrelazamiento cuántico se ven fácilmente alteradas por las interacciones con el entorno circundante. Y cuanto más grande y complejo se vuelve un objeto, más difícil es mantener intacto su comportamiento cuántico.
Marin y su equipo querían ver si se podía lograr el entrelazamiento a partir de una pequeña perla de vidrio. A nuestros ojos, esta mota sería completamente indetectable: medía sólo 100 nanómetros de ancho, aproximadamente el tamaño de un virus.
Sin embargo, en comparación con el ámbito cuántico, esta nanopartícula sería un coloso y contendría decenas de millones de átomos.
El comportamiento cuántico que interesaba a los investigadores no involucraría a ninguno de esos átomos, sino al movimiento del centro de masa de toda la esfera.
Y, para mantener el aislamiento que permitiría el comportamiento cuántico, la esfera no estaba unida a nada.
Fue levitada en un rayo láser fuertemente enfocado llamado pinza óptica, que utiliza la fuerza ejercida por la luz (presión de radiación) para mantener la nanopartícula en el aire y confinada entre dos espejos opuestos que forman una cavidad óptica, al mismo tiempo que le permite oscilar alrededor de su posición de equilibrio.
frameborder=”0″ enable=”accelerómetro; reproducción automática; escritura en portapapeles; medios cifrados; giroscopio; imagen en imagen; compartir web” referrerpolicy=”origen-estricto-cuando-origen-cruzado” enablefullscreen>Esto se hizo dentro de una cámara casi de vacío, aislando el movimiento de la esfera de las perturbaciones ambientales que, de otro modo, borrarían el frágil comportamiento cuántico. Casilla uno, marcada.
Pero crear un entrelazamiento resultaría bastante más complicado.
Para impulsar la nanoesfera hacia el régimen cuántico, los investigadores necesitaban luz que enfriara y estabilizara su movimiento. Sin embargo, la luz necesaria para generar el entrelazamiento hizo lo contrario: calentó el movimiento de la esfera y finalmente la desestabilizó.
Los investigadores necesitaban separar la tarea de enfriar la esfera de la tarea de enredarla con luz.
“La solución fue desacoplar los dos fenómenos mediante el uso de dos láseres distintos, uno desafinado en rojo y el otro desafinado en azul en relación con diferentes resonancias de cavidad óptica, y combinándolos para formar una única pinza de dos colores”, explicó Marin.
Los dos láseres separados dividieron las tareas. La luz roja desafinada enfrió y estabilizó las pequeñas oscilaciones de la esfera, acercando su movimiento a su estado fundamental cuántico. La luz desafinada en azul podría entonces atacar el evento principal: entrelazar ese movimiento con la luz.
Más específicamente, el entrelazamiento vinculó la posición y el impulso de la esfera mientras oscilaba dentro de la trampa con propiedades de la luz, llamadas cuadraturas, que son análogas a su amplitud y fase.
“El entrelazamiento significa que las fluctuaciones cuánticas de estos dos sistemas ya no pueden describirse de forma independiente”, dijo Marin.
“Ya no existe una descripción cuántica completa de ‘la esfera’ y ‘la luz’ por separado. Una medición de las cuadraturas de la luz modifica de alguna manera el estado de la nanoesfera. La descripción adecuada es un estado conjunto del movimiento mecánico y el campo electromagnético.”
Es importante destacar que nada de esto requirió enfriar todo el aparato a temperaturas criogénicas, como lo hacen muchos experimentos de optomecánica cuántica.
Los láseres enfriaban sólo el movimiento de la esfera, mientras que la levitación y el entorno cercano al vacío protegían ese movimiento enfriado de las influencias externas.
“Así que el laboratorio circundante está a temperatura ambiente, pero el grado de libertad mecánico particular que estudiamos está preparado a una temperatura efectiva mucho más baja”, explicó Marin.
“La combinación de levitación, alto vacío y enfriamiento óptico permite que se desarrollen correlaciones cuánticas antes de que el calentamiento ambiental las destruya”.
Pero crear un enredo es sólo la mitad de la batalla. La otra mitad demuestra que las correlaciones son realmente de naturaleza cuántica, y no algo forjado por la física clásica.
Y aquí es donde el experimento demuestra su inteligencia: porque esa evidencia fue escrita en la luz que se aleja de la esfera.
A medida que la esfera se movía dentro de la cavidad óptica, la información sobre su movimiento se codificaba en la luz.
Midiendo la luz que emerge de la cavidad, los investigadores pudieron reconstruir las correlaciones entre la posición y el momento de la esfera y las cuadraturas de la luz.
La mecánica cuántica proporciona un umbral para distinguir los sistemas entrelazados de los separables. Cuando el equipo reconstruyó el patrón completo de correlaciones, sus mediciones cruzaron ese umbral y permanecieron en el lado enredado incluso cuando los investigadores tuvieron en cuenta las incertidumbres experimentales y variaron los supuestos utilizados en su análisis.
“Esto es lo que nos da confianza de que las correlaciones que observamos son genuinamente cuánticas y corresponden al entrelazamiento entre el movimiento de las nanoesferas y la luz”, dijo Marin.
Sin embargo, no fue un resultado que se anunció con un destello repentino en una pantalla. El experimento tuvo que durar horas hasta que la cámara alcanzó una presión suficientemente baja, y tres sistemas láser permanecieron estables en todo momento.
Incluso después de que comenzó la recopilación de datos, la evidencia fue acumulando lentamente.
“Una vez que se optimiza el método de análisis, procesamos conjuntos de datos cada vez más grandes y, gradualmente, la presencia de entrelazamiento emerge con significación estadística”, dijo Marin.
“Ese es un momento de alivio… nos damos cuenta de que lo hemos logrado”.
Sin embargo, lo que hace que el resultado sea particularmente útil es lo que le sucedió a continuación a la luz enredada: se fue.
A diferencia de la propia cuenta de vidrio, las correlaciones cuánticas no se limitaron a la luz atrapada entre los espejos de la cavidad óptica. Persistieron en que la luz se alejara de la nanoesfera, convirtiéndola en algo que podría, al menos en principio, llevar esas correlaciones a otros lugares.
“Un campo que existe sólo dentro de una cavidad es difícil de utilizar como recurso cuántico en otros lugares. Sin embargo, una vez que la luz sale de la cavidad, se convierte en un sistema cuántico viajero. En principio, puede transmitirse a través de una red óptica, medirse en otro lugar o hacerse interactuar con otro dispositivo cuántico”, explicó Marin.
“El campo de propagación es esencialmente el canal que podría conectar el sistema mecánico con el mundo exterior”.
Sin embargo, aún queda mucho por hacer antes de que eso sea posible.
Los investigadores necesitan fortalecer el entrelazamiento y aprender a controlarlo dinámicamente, en lugar de simplemente observar el estado estacionario, pasos que eventualmente podrían permitir escribir, almacenar y recuperar información cuántica del oscilador mecánico.
Pero la interfaz fundamental desde la cual construir ya está lista y lista para comenzar a trabajar.
“El próximo desafío es convertir esa interfaz de algo que observamos en algo que podamos usar activamente”, dijo Marin, “y eventualmente conectar varias de esas interfaces (varias nanoesferas en diferentes pinzas ópticas) en un sistema cuántico más grande”.
La investigación ha sido publicada en Science.
Este artículo fue verificado por Rebecca Dyer y editado por Rebecca Dyer. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.