Enfriar la materia a distancia
Las aplicaciones potenciales incluyen nuevos tipos de sensores y redes cuánticas
Investigadores de la Universidad de Basilea han conseguido formar un bucle de control formado por dos sistemas cuánticos separados por una distancia de un metro. Dentro de este bucle, un sistema cuántico -una membrana vibrante- es enfriado por el otro -una nube de átomos-, y los dos sistemas se acoplan entre sí mediante luz láser. Interfaces como ésta permiten que diferentes tipos de sistemas cuánticos interactúen entre sí incluso a distancias relativamente grandes y desempeñarán un papel fundamental en las tecnologías cuánticas del futuro.
La luz se utiliza para acoplar una membrana vibrante a una nube de átomos con el fin de formar un bucle de control. De este modo, los dos sistemas cuánticos diferentes -constituidos por la membrana y los espines- regulan mutuamente su temperatura.
University of Basel, Department of Physics
Todos hemos experimentado el principio de retroalimentación, por ejemplo, cuando utilizamos un termostato junto con un sistema de calefacción para regular la temperatura interior. El termostato mide la temperatura actual, la compara con el valor objetivo y regula el flujo de calor en consecuencia. Los bucles de control de este tipo aparecen en muchos ámbitos de la vida cotidiana y la tecnología.
También son útiles en el mundo cuántico cuando se trata de llevar un sistema a un estado deseado. Por ejemplo, a menudo es necesario trabajar a temperaturas muy bajas -cerca del cero absoluto- para observar los efectos sensibles del mundo cuántico y aplicarlos a nuevas aplicaciones tecnológicas. La retroalimentación clásica requiere una medición dentro de un bucle de control y sólo funciona de forma limitada en el mundo de los cuantos, que difiere del mundo macroscópico con el que estamos familiarizados en muchos aspectos.
La razón de estas limitaciones es que, en los sistemas cuánticos, el mero hecho de tomar una medida provoca un cambio en el sistema y, por tanto, da lugar a una reacción incontrolada. Teniendo esto en cuenta, investigadores dirigidos por el profesor Philipp Treutlein, del Departamento de Física y del Instituto Suizo de Nanociencia de la Universidad de Basilea, han utilizado por primera vez el principio de retroalimentación coherente para enfriar un sistema cuántico, y han publicado sus resultados en la revista Physical Review X.
Control sin medición
La retroalimentación coherente describe una situación en la que dos sistemas cuánticos interactúan entre sí. Como uno de los sistemas actúa como unidad de control del otro, no es necesario realizar ninguna medición. En su lugar, el sistema de control se configura para llevar al sistema objetivo al estado deseado mediante una interacción mecánica cuántica coherente.
En concreto, los investigadores utilizaron átomos como sistema de control mecánico cuántico para controlar la temperatura de una membrana vibratoria macroscópica pero muy fina. Este proceso implica primero alinear el momento angular intrínseco (espín) de los átomos en una dirección bien definida, lo que corresponde a un estado muy frío cercano al cero absoluto. En cambio, la alta temperatura de la membrana la hace vibrar fuertemente.
La interacción mecánica cuántica permite que los átomos y la membrana intercambien estados, lo que hace que la membrana se enfríe al transferir su energía a los átomos. Posteriormente, sin embargo, los átomos pueden volver rápidamente a su estado inicial mediante luz láser, preparándose para otra transferencia de energía desde la membrana.
Los investigadores utilizaron con éxito este mecanismo de retroalimentación coherente para reducir la temperatura de la membrana oscilante desde la temperatura ambiente hasta 200 milikelvins (-272,95°C) -es decir, una temperatura cercana al cero absoluto- en una fracción de milisegundo.
"Utilizamos la interacción entre los dos sistemas para transferir la membrana al estado frío", explica el estudiante de doctorado Gian-Luca Schmid, primer autor del estudio junto a Chun Tat Ngai, otro de los estudiantes de doctorado de Treutlein. "Lo fascinante de estos análisis es que somos capaces de acoplar un sistema macroscópico a un sistema cuántico atómico -y controlarlo- a una distancia bastante grande", dice Philipp Treutlein.
Retrasos a pesar de la velocidad de la luz
La distancia relativamente grande entre los dos sistemas cuánticos es un requisito importante para las posibles aplicaciones de la tecnología cuántica, pero también provoca pequeños retrasos. Aunque la luz viaja a la velocidad de la luz, estos retrasos tienen un claro efecto en la retroalimentación y hacen que el sistema sea más inestable. El resultado es un enfriamiento de la membrana oscilante ligeramente inferior al que sería teóricamente posible en ausencia de retardo.
Los investigadores de Basilea estudian este tipo de fenómenos en las interfaces cuánticas entre átomos y sistemas de estado sólido, ya que los sistemas híbridos de este tipo desempeñarán un papel importante en la tecnología cuántica del futuro. Entre las posibles aplicaciones se encuentran nuevos tipos de sensores y redes cuánticas.
"Confiamos en que nuestro estudio dé lugar a nuevas investigaciones prácticas sobre la retroalimentación coherente en los sistemas cuánticos", afirma Treutlein.
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