Las vibraciones atómicas y la luz se entrelazan en una superposición cuántica

En el experimento que hemos desarrollado científicos de La Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) y del Comisariado de la Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA) de París-Saclay, utilizamos un diamante que hicimos vibrar de forma cuántica, y para hacerlo oscilar (y luego medir lo que está pasando) usamos láseres.

El ejemplo que nos gusta mucho a los físicos para explicar lo que es un oscilador clásico es el de una masa u objeto pegado a un resorte. Si tiras de la masa, el resorte opone resistencia, y una vez que la sueltas, el objeto empieza a oscilar.

En el ejemplo clásico, puedes tirar de la masa tanto o tan poco como quieras, y una vez que la sueltas, se mueve con una amplitud diferente.

Esto no pasa con una vibración cuántica, que tiene una energía definida, y de la que solo puedes tener múltiplos enteros. Es decir, puedes tener cero vibraciones, una vibración, dos vibraciones, pero nunca vas a poder encontrar 1.5 vibraciones.

En nuestro experimento hicimos vibrar a un diamante, y dentro del diamante los átomos vecinos están vibrando en dirección opuesta. Esta vibración colectiva es nuestro fonón.

Partícula de vibración

El fonón es esta ‘partícula’ de vibración (el nombre técnico es cuasi partícula), pero a diferencia de otras partículas, como el electrón o el fotón, los fonones no pueden existir independientemente del material.

Uno de los puntos clave para poder hacer este experimento era tener una demostración clara de que podemos preparar este tipo de vibraciones, y eso lo logramos demostrar el año pasado.

Este tipo de vibraciones no se puede medir directamente, así que usamos pulsos de láser para controlar la forma en que está vibrando el material, y también para después medir el estado de la vibración.

Cuando la luz interactúa con un material, un fotón (partícula de luz) puede crear un fonón (partícula de vibración), y en el proceso emitir un fotón de menos energía (pues perdió la energía necesaria para crear la vibración).

Este nuevo fotón está entrelazado con la vibración que creó, y manipulando su estado podemos manipular también el estado de la vibración.

Superposición viva y muerta

Una de las cosas menos intuitivas de la mecánica cuántica es que puedes tener eventos que existen en una superposición, como el famoso ejemplo del gato de Schrödinger, que no está vivo O muerto, sino vivo Y muerto.

En nuestro experimento, lo que hacemos es crear una vibración en uno de dos posibles tiempos, y luego borrar toda la información que podría existir para distinguirlos.

Para crear esta superposición no es suficiente que nosotros no tengamos esa información; esa información tiene que ser imposible de conocer en principio, y experimentalmente da resultados muy diferentes.

Al final del experimento lo que medimos son fotones que están entrelazados entre sí a través de su interacción con la partícula de vibración, y gracias a esto podemos probar que la vibración no ocurrió en un momento O en el otro, sino en un momento Y en el otro.

Materiales normales

Ese es uno de los aspectos más interesantes del experimento: tenemos un material normal, a temperatura ambiente, a presión atmosférica, y a pesar de esto podemos hacer que vibre de una forma puramente cuántica.

La teoría cuántica no pone un límite sobre qué tamaño o en qué condiciones los objetos deberían comportarse de forma cuántica en vez de clásica, pero en la práctica las propiedades cuánticas son ´frágiles´, y para observarlas normalmente se necesitan sistemas extremadamente fríos, aislados, y en alto vacío.

Para este experimento desarrollamos nuevas técnicas experimentales que demuestran que lo mismo se puede lograr en condiciones “normales”.

Este experimento demuestra y desarrolla las herramientas que pueden facilitar el crecimiento de las tecnologías cuánticas, y la revolución tecnológica que conllevan, pero todavía queda mucho camino por recorrer para darle un uso práctico.

Una de las principales limitaciones es que este estado de vibración existe por muy poco tiempo, tan solo 4ps (0.000000000004 segundos).

(*) Santiago Tarrago Vélez es investigador del Instituto de Física de la Escuela Politécnica Federal de Lausana y autor principal de esta investigación.

Referencia

Bell correlations between light and vibration at ambient conditions. Santiago Tarrago Velez et al. Science Advances, 18 Dec 2020: Vol. 6, no. 51, eabb0260. DOI:10.1126/sciadv.abb0260