Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

En el mundo de la física, existe una división fundamental entre las reglas que gobiernan lo infinitamente pequeño y las reglas que gobiernan el mundo cotidiano. A la escala de los átomos y las partículas subatómicas, los objetos se comportan de maneras extrañas: pueden existir en múltiples estados a la vez, y sus propiedades son difusas, definidas por probabilidades en lugar de valores fijos. Este es el reino de la mecánica cuántica. En contraste, los objetos que vemos y tocamos —sillas, coches y personas— siguen las leyes predecibles de la física clásica. Durante más de un siglo, los científicos se han preguntado dónde se traza la línea entre estos dos mundos. ¿Por qué los objetos grandes no se comportan como partículas cuánticas? Para responder a esto, los investigadores están intentando empujar a objetos cada vez más grandes hacia el reino cuántico, obligándolos a obedecer las extrañas reglas de lo muy pequeño. Una parte clave de este esfuerzo involucra el "comprimir" (squeezing), una técnica que reduce la difusidad natural del movimiento de un objeto en una dirección mientras permite que aumente en otra. Si los científicos logran comprimir el movimiento de un objeto grande lo suficiente, pueden prepararlo en un estado cuántico especial, ofreciendo una nueva forma de probar cómo la gravedad y la mecánica cuántica podrían interactuar.

Un equipo de investigadores ha dado ahora un paso significativo hacia este objetivo al lograr con éxito la compresión del movimiento de un objeto mecánico diminuto, pero macroscópico. El objeto en cuestión es un voladizo (cantilever), un trampolín microscópico hecho de arseniuro de galio, que pesa solo 50 nanogramos. Aunque esta masa es increíblemente ligera para los sentidos humanos, es masiva en comparación con los átomos que se estudian habitualmente en experimentos cuánticos. El equipo logró preparar este voladizo en un estado "clásicamente comprimido", una condición en la que la incertidumbre de su posición se reduce a un nivel apenas por encima del mínimo absoluto permitido por la física cuántica, conocido como la fluctuación del punto cero. Lograron una incertidumbre mínima de 1.07 veces este límite fundamental. Este resultado es tres órdenes de magnitud mejor que los intentos previos utilizando métodos similares, lo que representa un salto masivo en precisión.

El experimento se basó en una hábil interacción entre la luz y el movimiento. Los investigadores colocaron el diminuto voladizo dentro de una cámara de vacío y le lanzaron un láser. A medida que la luz rebotaba en el voladizo, transportaba información sobre la posición del objeto. Al medir esta luz con gran precisión, el equipo pudo rastrear el movimiento del voladizo en tiempo real. Sin embargo, simplemente observar el objeto no es suficiente para comprimirlo; el acto de medir también empuja al objeto, añadiendo un sacudida de ruido conocida como "retroacción" (back-action). Para superar esto, los investigadores utilizaron una técnica llamada preparación de estado condicional. Alimentaron los datos de la medición en un filtro informático que predecía la posición del voladizo basándose en su comportamiento pasado. Al usar esta predicción para comprender el estado del objeto de manera más clara de lo que permitiría la medición bruta por sí sola, pudieron efectivamente "comprimir" el ruido de un aspecto de su movimiento.

Una parte crítica de su éxito fue la velocidad de sus mediciones en relación con la velocidad de la vibración del voladizo. Para que la compresión funcione, la tasa a la que recopilaban información tenía que ser lo suficientemente rápida como para seguir las oscilaciones naturales del objeto. En este experimento, la tasa de medición fue aproximadamente el 54% de la frecuencia de resonancia del voladizo, una condición que permitió romper el equilibrio habitual donde la energía se comparte por igual entre la posición y el momento. En su lugar, lograron suprimir significativamente la incertidumbre en la medición de la posición, mientras que la incertidumbre en la medición del momento aumentó, un intercambio que es una característica distintiva de los estados comprimidos. El resultado final mostró que la incertidumbre de la posición se redujo a solo 1.07 veces el nivel del punto cero, mientras que la incertidumbre del momento aumentó a casi ocho veces ese nivel, demostrando claramente que la energía ya no se compartía por igual.

A pesar de este impresionante logro, los investigadores advierten con cautela que aún no han alcanzado plenamente el régimen de "compresión cuántica". Su estado se describe como "clásicamente comprimido" porque, si bien viola la regla clásica de distribución de energía igualitaria, aún no desciende por debajo del suelo de ruido cuántico fundamental de una manera que confirmaría un estado puramente mecánico cuántico. El experimento estuvo limitado por diversas fuentes de ruido, incluyendo la interferencia electrónica y la dificultad de mantener el láser perfectamente estable. El equipo identificó que el ruido no estacionario, que cambia de forma impredecible con el tiempo, impidió que filtraran los datos en tiempo real para crear un estado cuántico definitivo. Sin embargo, su trabajo demuestra que el protocolo es viable. Al demostrar que un enfoque basado en la medición puede comprimir un objeto macroscópico de manera tan efectiva, han allanado el camino para futuros experimentos. Con mejoras adicionales para reducir el ruido y aumentar la eficiencia de la medición, el equipo cree que pronto será posible preparar objetos aún más grandes, incluyendo potencialmente los espejos masivos utilizados en los detectores de ondas gravitacionales, en verdaderos estados comprimidos cuánticos. Este progreso acerca a los científicos a la comprensión de cómo el mundo cuántico transiciona hacia el mundo clásico que experimentamos cada día.