Bose-Einstein condensation and collective Bogoliubov excitations of microwave photons in superconducting quantum electrodynamics circuits

Imagina un mundo donde las diminutas partículas de luz, llamadas fotones, suelen comportarse como una multitud caótica en un concierto: chocando entre sí, dispersándose en todas direcciones y negándose a moverse al unísono. En la mayoría de las situaciones, la luz es el individuo definitivo. Pero en el extraño y ultrafrío reino de la física cuántica, las cosas se vuelven extrañas. Los científicos saben desde hace tiempo que si se enfría un grupo de ciertas partículas lo suficiente y se les calma, todas pueden "marchar al unísono", fusionándose en una única y gigante onda cuántica. Este fenómeno se llama condensación de Bose-Einstein (BEC). Piensa en esto como un banco de peces que de repente decide dejar de nadar individualmente y, en su lugar, se convierte en un único y gigantesco superpez que se mueve como una sola entidad. Aunque esto se ha visto en átomos e incluso en algunos tipos de luz atrapada en el vidrio, quedaba una gran pregunta: ¿Podemos hacer que esto suceda con fotones de microondas —las ondas invisibles que alimentan nuestro Wi-Fi y teléfonos celulares— dentro de un diminuto circuito electrónico? Si pudiéramos, esto abriría la puerta a un nuevo tipo de tecnología supersensible y a un patio de recreo para construir computadoras cuánticas.

Este artículo informa sobre un avance precisamente en esa dirección. Los investigadores construyeron un patio de recreo electrónico superenfriado utilizando un circuito superconductor (un circuito que conduce electricidad con cero resistencia) y lo llenaron con una red de diez diminutos bits cuánticos, conocidos como qubits de flujo. Bombardearon este sistema con una fuerte señal de microondas, actuando como una bomba, para forzar un número masivo de fotones de microondas hacia un solo modo. Lo que descubrieron fue que estos fotones no solo se amontonaron; comenzaron a comportarse como un condensado de Bose-Einstein, un estado colectivo donde los fotones y los qubits danzan juntos como una unidad híbrida única.

El descubrimiento más emocionante es lo que sucede cuando se "toca" este "superpez" con una segunda señal más débil. En lugar de simplemente rebotar, el sistema responde con un tipo específico de ondulación llamada "excitación de Bogoliubov". Puedes imaginarlo como lanzar una piedra a un estanque tranquilo; normalmente, obtienes un simple salpicado. Pero aquí, el estanque es tan especial que el salpicado crea un patrón de ondas complejo y sincronizado que revela la estructura oculta del agua misma. El equipo observó estas ondulaciones claramente, junto con un fenómeno llamado "bistabilidad", donde el sistema actúa como un interruptor de luz que se queda trabado en dos posiciones diferentes dependiendo de cómo se gire la perilla. Este comportamiento, que los investigadores midieron con alta precisión, proporciona la primera evidencia experimental de que los fotones de microondas pueden formar un condensado y soportar estas excitaciones colectivas en un chip superconductor.

Para entender cómo funciona esto, imagina el dispositivo como un instrumento musical de alta tecnología. Consta de dos partes principales: un "resonador T" y un "resonador R", que son como dos diapasones hechos de metal superconductor. Entre ellos se encuentra la estrella del espectáculo: una red de diez qubits de flujo superconductores. Estos qubits son diminutos bucles de cable interrumpidos por uniones de Josephson (barreras especiales que permiten el túnel cuántico), actuando como las cuerdas de una guitarra. Los investigadores conectaron el "resonador R" a un generador de microondas para bombear energía hacia adentro, y el "resonator T" a un detector para escuchar la salida.

Cuando bombardearon el sistema con un tono de microondas fuerte a una frecuencia de aproximadamente 7.7 GHz, algo dramático sucedió. A medida que aumentaban la potencia de la bomba, la frecuencia del resonador no solo se desplazó un poco; de repente saltó a una frecuencia más baja. Este "desplazamiento al rojo" ocurrió abruptamente una vez que la potencia cruzó un umbral específico. Aún más fascinante, el sistema mostró "histéresis". Si aumentabas la potencia lentamente, el sistema saltaba a un nuevo estado en un punto, pero si bajabas la potencia, no saltaba de regreso hasta que alcanzabas un nivel mucho más bajo. Es como una puerta que requiere un empujón fuerte para abrirse, pero se cierra deslizándose fácilmente; el estado de la puerta depende de hacia qué lado estés empujando.

El equipo también notó una señal "fantasma". Cuando observaron de cerca los datos de transmisión, vieron un segundo descenso en la señal, un eco tenue en una frecuencia diferente. Esto es lo que llaman un "modo idler" (modo acompañante), una onda compañera que aparece junto a la señal principal, de forma muy similar a cómo aparece una imagen reflejada cuando te miras en un espejo. La presencia de este modo idler es una huella clave de las excitaciones de Bogoliubov, confirmando que los fotones interactúan entre sí de una manera colectiva y mecánica cuántica, en lugar de actuar simplemente como partículas independientes.

Para explicar estos comportamientos salvajes, los investigadores desarrollaron un modelo matemático basado en la ecuación de Gross-Pitaevskii, una fórmula famosa que se utiliza habitualmente para describir superfluidos y condensados atómicos. Sin embargo, tuvieron que ajustarla significamente. En su sistema, la "interacción" entre los fotones no es directa; en cambio, los fotones hablan entre sí a través de los qubits. A medida que aumenta el número de fotones, estos cambian los niveles de energía de los qubits (un efecto conocido como efecto Stark de CA), lo que a su vez cambia cómo se comportan los fotones. Esto crea un bucle de retroalimentación que conduce al comportamiento colectivo. Su modelo, que incluía parámetros como una fuerza de acoplamiento de $2\pi \times 25$ MHz y un desplazamiento de frecuencia de $2\pi \times 3.4$ MHz, coincidió casi perfectamente con sus datos experimentales.

Los investigadores también probaron qué pasaría si aplicaran un campo magnético. Cuando aplicaron un campo magnético estático de 0.489 Gauss, el umbral de potencia requerido para activar el salto cambió. Esto confirmó que los qubits, que son sensibles a los campos magnéticos, eran efectivamente los actores clave en esta danza. El campo magnético desplazó las frecuencias de los qubits, lo que alteró la energía necesaria para crear el estado colectivo.

En resumen, este artículo demuestra que, al incrustar una red de qubits superconductores en un resonador de microondas, los científicos pueden crear un estado donde los fotones de microondas se comportan como un condensado de Bose-Einstein. Esto no es solo una curiosidad teórica; es un estado de la materia tangible y medible donde la luz y la materia se fusionan en un todo colectivo. La observación de las excitaciones de Bogoliubov y el comportamiento de conmutación histérica sugiere que estos sistemas podrían utilizarse como detectores ultrasensibles o como bloques de construcción para el procesamiento de información cuántica. Los investigadores proponen que esta plataforma ofrece una nueva forma de diseñar sistemas fotónicos de muchos cuerpos, lo que potencialmente conduce a dispositivos que pueden detectar los susurros más tenues del mundo cuántico o procesar información de maneras que apenas estamos empezando a imaginar. Si bien el artículo se centra en la física del condensado en sí, sienta las bases para futuras tecnologías que podrían aprovechar estos estados cuánticos colectivos para aplicaciones en el mundo real.