Fast quantum squeezing of a nanomechanical oscillator with an inverted potential

En el mundo microscópico, las reglas de la física se comportan de manera diferente a como lo hacen en nuestra vida cotidiana. Una de las reglas más fundamentales es que existe un límite para la precisión con la que podemos conocer el estado de un objeto. Esto no es un fallo en nuestras herramientas de medición, sino una característica intrínseca de la naturaleza misma, a menudo llamada incertidumbre cuántica. Imagine intentar medir la posición y la velocidad de una partícula diminuta al mismo tiempo; cuanto más precisamente determine una, más difusa se volverá la otra. Esta incertidumbre crea un "ruido" de fondo o un temblor que existe incluso en un vacío perfecto, conocido como fluctuaciones del vacío. Para los científicos que intentan construir sensores ultrasensibles o potentes computadoras cuánticas, este ruido es un obstáculo importante. Para sortearlo, los investigadores utilizan una técnica llamada compresión (squeezing). En lugar de intentar eliminar el ruido por completo, lo remodelan. Toman la incertidumbre de una propiedad, como la posición, y la trasladan a una propiedad diferente, como el momento, que es menos importante para la tarea en cuestión. Esto les permite ver la señal que están buscando con mucha más claridad, creando efectivamente un estado de la materia que es más silencioso de lo que la naturaleza suele permitir.

Durante décadas, lograr este tipo de control sobre objetos mecánicos ha sido increíblemente difícil, especialmente para cualquier cosa más grande que un solo átomo. La mayoría de los experimentos exitosos han requerido congelar los objetos a temperaturas cercanas al cero absoluto y utilizar complejos circuitos electrónicos para estabilizarlos. Sin embargo, un equipo de investigadores del ETH Zurich ha encontrado una forma de comprimir el movimiento de un objeto sólido diminuto a temperatura ambiente, sin la necesidad de frío extremo. Trabajaron con una sola nanopartícula, un cúmulo de esferas de sílice de aproximadamente ciento veinte nanómetros de diámetro, que es unas mil veces más delgada que un cabello humano. Esta partícula no estaba pegada ni sujeta a una superficie; en su lugar, era sostenida en el aire por un haz de luz láser, una técnica conocida como levitación óptica. Al atrapar la partícula en una cámara de vacío y enfriar su movimiento utilizando el mismo haz de luz láser, los investigadores llevaron el movimiento de rotación de la partícula, o libración, a su estado de energía más bajo posible, conocido como estado fundamental cuántico.

El gran avance se produjo cuando los científicos decidieron cambiar las reglas de la trampa que sostenía la partícula. Normalmente, la luz del láser crea una forma estable similar a un cuenco que mantiene la partícula centrada. Si la partícula se aleja del centro, la luz la empuja de regreso, de forma muy similar a una canica situada en el fondo de un cuenco. Los investigadores, sin embargo, querían hacer algo diferente. Cambiaron rápidamente la orientación de la polarización del láser, invirtiendo efectivamente el cuenco de cabeza. En esta nueva forma invertida, el centro ya no es un lugar de descanso seguro, sino un pico precario. Si se coloca una canica en la cima de una colina, incluso el más mínimo empujón hará que ruede hacia un lado, y cuanto más ruede, más rápido acelerará. Esto es lo que los investigadores crearon para su nanopartícula: un potencial invertido donde la partícula está posada sobre un pico de inestabilidad.

Cuando la partícula fue colocada en este potencial invertido, su movimiento comenzó a cambiar de una manera dramática y predecible. En lugar de oscilar suavemente de un lado a otro, las fluctuaciones en su posición y velocidad comenzaron a crecer exponencialmente. Un aspecto de su movimiento fue estirado y amplificado, mientras que el aspecto perpendicular fue comprimido y comprimido (squeezed). Este proceso ocurrió con una velocidad increíble. En solo doscientos cincuenta nanosegundos —un tiempo tan corto que es menos de un quinto de un único ciclo de oscilación—, los investigadores habían comprimido el movimiento de la partícula once decibelios por debajo del nivel de las fluctuaciones del vacío. Esta es una reducción significativa del ruido, lo que significa que la partícula estaba en un estado de movimiento que era mucho más preciso de lo que normalmente es posible. El experimento demostró que, al utilizar este potencial invertido, podían generar compresión cuántica mucho más rápido que la tasa a la cual el entorno normalmente destruiría el delicado estado cuántico.

El equipo también observó cuánto tiempo podía sobrevivir este estado comprimido. Una vez que la partícula regresaba a una trampa estable, el estado comprimido comenzaba a desvanecerse, regresando eventualmente a un estado normal y ruidoso después de unos treinta periodos de oscilación. Los investigadores determinaron que este decaimiento era causado por la misma luz utilizada para enfriar y medir la partícula, la cual introducía una pequeña cantidad de ruido aleatorio. Calcularon que, si pudieran eliminar esta fuente específica de ruido, el estado comprimido podría durar aproximadamente doscientos cuarenta periodos de oscilación, casi diez veces más de lo que observaron. Esto sugiere que la limitación actual no es una ley fundamental de la física, sino un obstáculo técnico que puede superarse con un mejor diseño experimental.

Este trabajo es significativo porque demuestra una nueva forma de controlar el comportamiento cuántico de objetos masivos sin la necesidad de refrigeración criogénica. Los métodos previos para lograr una compresión tan fuerte dependían de configuraciones electrónicas complejas en entornos gélidos. Al utilizar la luz para crear un potencial inestable, los investigadores demostraron que el control cuántico a temperatura ambiente es posible. La capacidad de generar estos estados comprimidos tan rápidamente y a temperatura ambiente abre la puerta a nuevos tipos de sensores que podrían detectar fuerzas o partículas increíblemente débiles. También proporciona una plataforma para probar los límites de la mecánica cuántica, permitiendo a los científicos ver qué tan grande puede ser un objeto y aun así comportarse de acuerdo con las reglas cuánticas. El experimento demuestra que, al manipular la forma del paisaje de energía, los investigadores pueden acelerar la generación de estados cuánticos, ofreciendo una poderosa nueva herramienta para el futuro de la detección cuántica y la metrología.