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Artículo publicado por Jessica Stoller-Conrad el 28 de agosto de 2015 en Caltech News

Imagina el péndulo de un reloj de pie. Si olvidas darle cuerda, finalmente encontrarás el péndulo en reposo, inmóvil. Sin embargo, esta simple observación sólo es válida al nivel de la física clásica, las leyes y principios que parecen explicar la física de los objetos relativamente grandes a escala humana. Sin embargo, la mecánica cuántica, las leyes físicas subyacentes que gobiernan el comportamiento fundamental de la materia y la luz a escala atómica, afirman que nada puede estar completamente en reposo.

Por primera vez, un equipo de investigadores de Caltech y otros colaboradores han encontrado una forma de observar, y controlar, este movimiento cuántico de un objeto que es lo bastante grande como para apreciarse. Sus resultados se publican en línea en el ejemplar del 27 de agosto de la revista Science.

Ondas gravitatorias

Ondas gravitatorias

Los investigadores saben desde hace años que en la física clásica, los objetos físicos pueden estar quietos. Deja caer una bola en un cuenco y rodará adelante y atrás unas cuantas veces. Finalmente, sin embargo, este movimiento se verá superado por otras fuerzas (como la gravedad y la fricción), y la bola se detendrá en el fondo del cuenco.

“En los dos últimos años, mi grupo y un par de grupos adicionales hemos aprendido cómo enfriar el movimiento de un pequeño objeto de escala micrométrica para producir este estado ‘en el fondo’, o estado fundamental cuántico”, señala Keith Schwab, profesor de Caltech de física aplicada, quien lideró el estudio. “Pero sabemos que incluso en el estado fundamental cuántico, al cero absoluto, permanecen fluctuaciones de amplitud muy pequeña, o ruido”.

Debido a que este movimiento cuántico, o ruido, es teóricamente una parte intrínseca del movimiento de todos los objetos, Schwab y sus colegas diseñaron un dispositivo que les permitiría observar este ruido y manipularlo.

El dispositivo, de escala micrométrica, consta de una placa de aluminio flexible que se sitúa sobre un sustrato de silicio. La placa se acopla a un circuito eléctrico superconductor, vibrando a una tasa de 3,5 millones de veces por segundo. De acuerdo con las leyes de la mecánica clásica, las estructuras en vibración finalmente llegarán a un reposo absoluto si se enfrían hasta su estado fundamental.

Pero esto no es lo que Schwab y sus colegas observaron cuando enfriaron el muelle hasta el estado fundamental en sus experimentos. En lugar de esto, permanecía una energía residual, el ruido cuántico.

“Esta energía es parte de la descripción cuántica de la naturaleza; simplemente, no puedes librarte de ella”, explica Schwab. “Todos sabemos que la mecánica cuántica explica con precisión por qué los electrones se comportan de un modo tan extraño. Aquí estamos aplicando la física cuántica a algo que es relativamente grande, un dispositivo que puede verse bajo un microscopio óptico, y estamos viendo efectos cuánticos en un billón de átomos, en lugar de en uno aislado”.

Debido a que este ruidoso movimiento cuántico siempre está presente y no puede eliminarse, establece un límite fundamental a la precisión con la que puede medirse la posición de un objeto.

Pero dicho límite, según descubrieron Schwab y sus colegas, no es insalvable. Los investigadores y colaboradores desarrollaron una técnica para manipular el inherente ruido cuántico, y hallaron que es posible reducirlo periódicamente. Los coautores Aashish Clerk de la Universidad McGill University y Florian Marquardt del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz propusieron un novedoso método para controlar el ruido cuántico, el cual se esperaba que lo redujese periódicamente. Esta técnica se implementó lugar e un dispositivo mecánico a microescala en el laboratorio de baja temperatura de Schwab en Caltech.

“Existen dos variables principales que describen el ruido, o movimiento”, explica Schwab. “Demostramos que realmente podemos disminuir las fluctuaciones de una de las variables, a expensas de hacer las fluctuaciones cuánticas más grandes en la otra variable. Es decir, lo que se conoce como estado cuántico comprimido; comprimimos el ruido en un lugar, pero debido a la compresión, el ruido tiene que salir por otro lado. Pero, siempre que esos lugares de mayor ruido no sean aquellos en los que están obteniendo una medida, no importa”.

La capacidad de controlar el ruido cuántico podría, algún día, usarse para mejorar la precisión de las medidas de alta sensibilidad, como las que obtiene LIGO, un proyecto liderado por Caltech y MIT que busca señales de ondas gravitatorias en el tejido del espacio-tiempo.

“Hemos estado pensando mucho sobre el uso de estos métodos para detectar ondas gravitatorias procedentes de los púlsares, estrellas increíblemente densas que tienen la masa del Sol comprimida en un radio de 10 kilómetros, y que giran sobre sí mismas de 10 a 100 veces por segundo”, comenta Schwab. “En la década de 1970, Kip Thorne [profesor emérito Richard P. Feynman de Física Teórica en Caltech] y otros escribieron artículos diciendo que estos púlsares deberían emitir ondas gravitatorias que son casi perfectamente periódicas, por lo que estamos pensando mucho sobre cómo usar estas técnicas sobre un objeto a la escala de gramos para reducir el ruido cuántico en los detectores, incrementando de este modo la sensibilidad para captar esas ondas gravitatorias”, apunta Schwab.

Para lograr esto, el dispositivo actual tendría que aumentar de escala. “Nuestro trabajo tiene como objetivo detectar la mecánica cuántica a escalas cada vez mayores y, un día, nuestra esperanza es que finalmente lleguemos a una escala tan grande como las de las ondas gravitatorias”, comenta.

Estos resultados se publican en un artículo titulado, Quantum squeezing of motion in a mechanical resonator.

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