Los minúsculos tambores superan los límites de la rareza cuántica

Las membranas de aluminio vibrantes proporcionan la primera evidencia directa de entrelazamiento cuántico en objetos macroscópicos.

Por Davide Castelvecchi / Mayo 6, 2021

Traducido por L. Domenech

Dispositivo de tambor cuántico: Las diminutas membranas de aluminio utilizadas por el equipo de Kotler para demostrar el entrelazamiento cuántico.Crédito: Florent Lecoq y Shlomi Kotler / NIST

Al tocar dos pequeños tambores, los físicos han proporcionado la demostración más directa hasta ahora de que el entrelazamiento cuántico, un efecto extraño normalmente asociado con partículas subatómicas, funciona para objetos más grandes.

Los hallazgos, descritos en dos artículos de Science el 6 de mayo1,2, podrían ayudar a los investigadores a construir dispositivos de medición de una sensibilidad sin precedentes, así como computadoras cuánticas que pueden realizar ciertos cálculos más allá del alcance de cualquier computadora ordinaria.

Las reglas contraintuitivas de la mecánica cuántica predicen que dos objetos pueden compartir un estado común "entrelazado". Las propiedades medibles de un objeto, como su posición o velocidad, se correlacionan luego con las del otro, con un grado de correlación que es más fuerte que lo que se puede lograr en la física clásica o no cuántica.

Aunque nada en las leyes de la física cuántica limita tal rareza cuántica a las partículas subatómicas, la teoría predice que a escalas mucho más grandes, por ejemplo, el tamaño de un gato, los efectos cuánticos deberían ser tan diminutos que no sean observables en la práctica. Los físicos han debatido durante mucho tiempo si esto es solo una limitación de nuestros sentidos e instrumentos, o si los objetos macroscópicos están gobernados por su propio conjunto de leyes que es fundamentalmente diferente de la mecánica cuántica. Para explorar esta pregunta, los investigadores han estado presionando para observar efectos cuánticos a escalas cada vez mayores. "Un punto de nuestra investigación es, ¿existe la cuántica en el mundo clásico?" dice Mika Sillanpää, físico de la Universidad Aalto en Finlandia.

Tambores cuánticos

En un experimento en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE UU en Boulder, Colorado, el físico Shlomi Kotler y sus colaboradores construyeron un par de membranas de aluminio vibrantes similares a dos pequeños tambores, cada uno de unos 10 micrómetros de largo.

Aunque estas estructuras son apenas visibles a simple vista, son enormes para los estándares cuánticos, y constan de alrededor de un billón de átomos cada una. Cuando los físicos descubrieron la mecánica cuántica hace un siglo, "la gente no imaginaba que se pudiera hacer un experimento con algo tan grande", dice Kotler, quien ahora está en la Universidad Hebrea de Jerusalén.

El equipo hizo cosquillas en las membranas con fotones de microondas para hacerlas vibrar en sincronía, y de tal manera que sus movimientos estuvieran en un estado de entrelazado cuántico: en cualquier momento dado, mientras los tambores se tambaleaban hacia arriba y hacia abajo, midiendo su desplazamiento desde el plano mostrado. estaban en la misma posición exacta, y al sondear sus velocidades, arrojaron valores exactamente opuestos.

Otros dos laboratorios habían realizado mediciones similares en objetos macroscópicos vibrantes en el pasado, mostrando evidencia indirecta de estados entrelazados 3,4. Pero Kotler y su equipo pudieron "ver" el entrelazamiento más directamente al amplificar la señal en el momento en que salió de sus dispositivos. Kotler dice que esto es similar a cómo los viejos tocadiscos preamplificaban su señal antes de enviarla al amplificador, lo que ayuda a reducir el silbido. El equipo también mejoró técnicas anteriores, lo que permitió a los investigadores crear entrelazamientos de manera más confiable.

Dichos pasos serán cruciales para aplicaciones como las computadoras cuánticas que podrían codificar información en las vibraciones de una serie de membranas, dice Kotler, una alternativa radical a los enfoques populares actuales, que generalmente involucran corrientes eléctricas o sistemas atómicos. Amazon anunció recientemente que estaba investigando la posibilidad de usar cristales vibrantes para codificar y procesar información cuántica.

Límites de la prueba

En un experimento separado con tambores cuánticos, un grupo dirigido por Sillanpää probó los límites del principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que cualquier medición debe cambiar necesariamente el estado del objeto que se está midiendo.

El equipo también construyó un par de pequeños tambores de aluminio y utilizó fotones de frecuencia de microondas tanto para ponerlos en un patrón de vibración sincronizada como para leer las posiciones de los tambores.

Este experimento tenía un propósito diferente al realizado por el equipo de Kotler: los investigadores querían probar el límite entre el comportamiento cuántico y no cuántico. Afinaron los tambores oscilantes para que se movieran de forma coordinada pero no idéntica, de modo que algunas de sus propiedades mensurables fueran idénticas a las de un tambor oscilante virtual único.

De esta manera, los investigadores pudieron medir la posición del tambor virtual sin afectar su velocidad. Para un oscilador cuántico normal, eso sería imposible debido al principio de incertidumbre de Heisenberg.

Para eludir ese límite fundamental, los investigadores "utilizan la mecánica cuántica para hackear la mecánica cuántica", dice Hoi-Kwan Lau, físico teórico de la Universidad Simon Fraser en Burnaby, Canadá.

Como en el experimento de Kotler, los dos tambores compartían un estado entrelazado, y la técnica de medición abre la posibilidad de estudiar cómo evoluciona espontáneamente el entrelazamiento de objetos grandes. “Podemos medir los estados entrelazados continuamente sin destruirlos”, dice Laure Mercier de Lépinay, colega de Sillanpää en Aalto y coautora del artículo.

Las técnicas del tambor cuántico podrían conducir al desarrollo de una instrumentación que supere las limitaciones que impone la mecánica cuántica a la medición. “Una aplicación sería para un sensor de fuerza”, dice Lau. Dependiendo de cómo esté diseñado un dispositivo de este tipo, podría medir diferentes tipos de fuerza, como magnética o gravitacional, dice.

El artículo original se puede leer en inglés en Nature