Las tecnologías cuánticas están transformando radicalmente nuestra comprensión del universo y, entre ellas, los osciladores mecánicos macroscópicos están ganando protagonismo. Estos dispositivos, fundamentales en relojes de cuarzo, teléfonos móviles y láseres utilizados en telecomunicaciones, tienen el potencial de revolucionar la forma en que interactuamos con la tecnología. En el ámbito cuántico, los osciladores mecánicos macroscópicos podrían permitir la creación de sensores ultra-sensibles y componentes para la computación cuántica, abriendo nuevas posibilidades de innovación en diversas industrias.
El control de osciladores mecánicos a nivel cuántico es crucial para el desarrollo de tecnologías futuras en computación cuántica y en sistemas de detección de alta precisión. Sin embargo, lograr un control colectivo sobre estos osciladores presenta un desafío considerable, dado que requiere unidades casi perfectas, es decir, idénticas entre sí. La mayor parte de la investigación en optomecánica cuántica se ha centrado en osciladores individuales, logrando demostrar fenómenos cuánticos como el enfriamiento del estado fundamental y el apretamiento cuántico. No obstante, el comportamiento cuántico colectivo, donde muchos osciladores actúan como uno solo, ha sido menos estudiado y es esencial para crear sistemas cuánticos más poderosos.
Avances en el control cuántico colectivo
Un equipo de científicos liderado por Tobias Kippenberg en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ha alcanzado un hito significativo en este campo. Han logrado preparar seis osciladores mecánicos en un estado colectivo, observando su comportamiento cuántico y midiendo fenómenos que solo surgen cuando los osciladores actúan como un grupo. Esta investigación, publicada en la revista Science, representa un avance notable para las tecnologías cuánticas y abre la puerta a sistemas cuánticos a gran escala.
El investigador Mahdi Chegnizadeh, primer autor del estudio, explica que «esto se ha logrado gracias al desorden extremadamente bajo entre las frecuencias mecánicas en una plataforma superconductora, alcanzando niveles tan bajos como el 0,1%». Esta precisión permitió que los osciladores entraran en un estado colectivo, donde se comportan como un sistema unificado en lugar de componentes independientes.
Para facilitar la observación de efectos cuánticos, los científicos emplearon el enfriamiento por banda lateral, una técnica que reduce la energía de los osciladores hasta su estado cuántico fundamental, el nivel de energía más bajo permitido por la mecánica cuántica. Este proceso resulta crucial para observar efectos cuánticos delicados, ya que minimiza las vibraciones térmicas y acerca el sistema a un estado de quietud.
Aumentando el acoplamiento entre la cavidad de microondas y los osciladores, el sistema puede transitar de dinámicas individuales a colectivas. Marco Scigliuzzo, coautor del estudio, señala que «al preparar el modo colectivo en su estado cuántico fundamental, observamos la asimetría de banda lateral cuántica, que es la característica del movimiento cuántico colectivo». Por lo general, el movimiento cuántico se limita a un solo objeto, pero en este caso abarca todo el sistema de osciladores.
Los investigadores también observaron tasas de enfriamiento mejoradas y la aparición de modos mecánicos «oscuros», es decir, modos que no interactuaban con la cavidad del sistema y mantenían una mayor energía. Estos hallazgos brindan confirmación experimental de teorías sobre el comportamiento cuántico colectivo en sistemas mecánicos, abriendo nuevas posibilidades para explorar estados cuánticos. Además, tienen importantes implicaciones para el futuro de las tecnologías cuánticas, ya que la capacidad de controlar el movimiento cuántico colectivo en sistemas mecánicos podría permitir avances en la detección cuántica y en la generación de entrelazamiento multipartito.
Todos los dispositivos fueron fabricados en el Centro de MicroNanoTecnología (CMi) de la EPFL.
