Físicos de Caltech logran medir una escalera cuántica predicha hace 40 años

Investigadores de Caltech realizaron un avance significativo al observar patrones de energía que habían sido predichos por físicos durante aproximadamente 40 años. Mediante la organización de átomos atrapados por láser en un simulador cuántico, lograron recrear dos diferentes puntos cuánticos y observar cómo los átomos caían en las proporciones energéticas exactas previstas por la teoría. Esta técnica podría utilizarse para explorar sistemas cuánticos misteriosos donde los científicos aún no conocen la respuesta.

Este fenómeno, conocido como universabilidad, se refiere a la capacidad de sistemas muy distintos de comportarse según las mismas reglas matemáticas durante transiciones significativas, como el agua hirviendo o un imán perdiendo su magnetismo. El profesor de física teórica Jason Alicea explicó que "los detalles microscópicos desordenados se desvanecen y solo sobreviven unas pocas características esenciales".

Los experimentos, publicados en la revista Nature, marcaron la primera vez que se realizaron pruebas de este tipo en dos teorías de campo conformal diferentes utilizando simuladores cuánticos. Estos sistemas especializados son más simples que las computadoras cuánticas de propósito general y están diseñados para reproducir comportamientos cuánticos específicos. La colaboración incluyó al grupo experimental del profesor Manuel Endres de Caltech, el grupo teórico de Alicea y teóricos de la Universidad Paris-Saclay y la Universidad Técnica de Múnich.

Utilizando tecnología de simulador cuántico recientemente desarrollada, los investigadores realizaron las primeras mediciones directas de los niveles de energía en materia cuántica sintética, según lo predicho por las teorías de campo conformal Ising y tricrítica Ising. Estas teorías describen comportamientos universales que pueden aparecer cuando un sistema cuántico con propiedades inusuales, como el entrelazamiento y la superposición, alcanza un punto crítico entre dos estados, donde uno es más ordenado que el otro.

A diferencia de una transición de fase ordinaria, como el agua convirtiéndose en vapor, esta transición no es causada por la temperatura, sino que surge completamente de efectos cuánticos a temperaturas cercanas al cero absoluto. En este punto crítico, los láseres pueden excitar el sistema en una secuencia de estados de energía específicos, que los investigadores compararon con los peldaños de una escalera.

Los niveles de energía predichos por estas teorías son importantes porque codifican información profunda sobre las teorías mismas, afirmó Alicea. Durante 40 años, los físicos han utilizado teorías de campo conformal para calcular cuán separados deberían estar esos peldaños de energía, que se esperaban en proporciones precisas. Sin embargo, hasta este experimento, esas predicciones nunca habían sido medidas directamente.

El estudiante de posgrado Xiangkai Sun, coautor del estudio, indicó que "nuestras nuevas herramientas toman prestadas de plataformas de computación cuántica". En la última década, se ha aprendido a controlar estos sistemas, y ahora están en un punto donde pueden utilizarse para investigaciones fundamentales en física.

El experimento se basó en tecnología que el laboratorio de Endres también utiliza para desarrollar computadoras cuánticas. El sistema se basa en arreglos de átomos neutros mantenidos en su lugar por láseres enfocados, conocidos como pinzas ópticas. Un sistema relacionado en el laboratorio logró recientemente atrapar 6,100 átomos en un solo arreglo.

Aunque las matrices de pinzas ópticas fueron desarrolladas principalmente para la computación cuántica, los investigadores las utilizaron para investigar una pregunta fundamental en física. Organizaron átomos de estroncio en una línea utilizando pinzas ópticas, y láseres adicionales luego empujaron los átomos a niveles de energía altamente excitados, conocidos como estados de Rydberg. En estos estados, los átomos vecinos interactúan de manera muy fuerte.

Estas interacciones hicieron que la cadena de átomos se comportara de manera colectiva en lugar de como partículas individuales separadas. Luego, los investigadores ajustaron los láseres hasta que todo el sistema alcanzó el punto crítico que deseaban estudiar.

Para detectar los niveles de energía predichos, desarrollaron una técnica llamada espectroscopía de modulación de muchos cuerpos. Perturbaron suavemente toda la cadena atómica al cambiar los láseres a una frecuencia particular y luego midieron cuán fuertemente respondieron los átomos. Al escanear a través de muchas frecuencias y buscar picos en la respuesta, los investigadores pudieron identificar los diferentes niveles de energía.

La idea básica es similar a hacer sonar un vaso de vino al pasar un dedo húmedo por su borde. Cuando el movimiento coincide con la frecuencia natural del vaso, este resuena y produce un sonido. En otras frecuencias, poco sucede.

Los investigadores repitieron el experimento en cadenas de hasta 35 átomos, y los peldaños aparecieron como lo predijo la teoría de campo conformal Ising. Los espectros se colapsaron en una única curva universal una vez reescalados por tamaño. Luego, se ajustaron al punto tricrítico y midieron los niveles más bajos de su espectro distinto, que resultaron en las proporciones diferentes que la teoría predice.

Debido a que los científicos pudieron controlar cada átomo por separado, pudieron realizar mediciones que serían mucho más difíciles con materiales convencionales. Clasificaron las excitaciones según su simetría, exponiendo un segundo conjunto de peldaños de energía que estaban ocultos en la medición inicial. También cambiaron el comportamiento de los átomos en los extremos de la cadena, reorganizando la escalera de energía y produciendo patrones diferentes que coincidían con las predicciones de la teoría tricrítica Ising.

"Aunque creíamos que estas teorías eran ciertas, es importante tener una realización experimental, algo que se pueda investigar", afirmó Alicea. "Ver esas predicciones cumplirse es algo hermoso".

Los investigadores planean ahora expandir los experimentos a sistemas cuánticos más grandes. En lugar de organizar átomos solo en una línea, esperan estudiar rejillas de átomos también. "En dos dimensiones, las teorías de campo conformal no están tan bien entendidas, por lo que esta es una oportunidad emocionante", comentó Sun.

Esto podría permitir a los científicos investigar sistemas cuánticos cuyo comportamiento aún no puede calcularse con precisión, potencialmente incluyendo problemas demasiado difíciles para las computadoras clásicas. Endres concluyó: "Lo que me emociona es que la técnica no requiere conocer la respuesta de antemano. Aquí podríamos verificar nuestras mediciones contra predicciones exactas. El siguiente paso es apuntar a sistemas donde nadie conoce la respuesta cuantitativa del sistema, incluyendo regímenes que las computadoras clásicas no pueden alcanzar".