El saltador Quantum aleja la luz de la pista de baile

El saltador Quantum aleja la luz de la pista de baile

Mis experimentos favoritos no son necesariamente los más revolucionarios. Yo también los amo, no me malinterpreten; pero me gustan los que me hacen mirar detenidamente la forma en que me represento la física.

Una habilidad esencial en física es saber qué omitir. Por ejemplo, si puedo predecir y describir un sistema físico con la física clásica, ¿por qué agregar la mecánica cuántica? Pero un artículo reciente señala que aún es importante tener en cuenta que cada imagen clásica tiene un fondo cuántico. Es posible que pueda pasar por alto este fondo, pero nunca debe olvidar que está ahí.

Cavidades y estados cuánticos

El experimento es pensar en las cavidades ópticas, que están en la frontera entre el mundo cuántico y el clásico. Normalmente pensamos en las cavidades ópticas en términos del color o la longitud de onda de la luz que aceptará una cavidad óptica. La distancia entre los espejos debe ser proporcional a la longitud de onda. Puede ser descrito tanto por la física clásica como por la cuántica. Sin embargo, la cantidad de luz en la cavidad casi siempre se considera en términos de física clásica.

Incluso cuando la intensidad de la luz cae hasta el punto en que consideramos fotones individuales, a la cavidad óptica no le importa. Brilla la luz sobre la cavidad y la luz continuará acumulándose allí hasta que la tasa de fotones entrantes sea igual a la tasa a la que escapan. Nuevamente, esto está bien descrito por la física cuántica y clásica. Aunque la granularidad de la intensidad salta al nivel de los fotones individuales, en la mayoría de los casos esto puede ignorarse.

Pero la cavidad óptica sigue siendo cuántica. Acepta un fotón, luego otro y otro, hasta que los espejos son destruidos por la intensidad de la luz. Pero, al aceptar un fotón, la luz en la cavidad entra en un nuevo estado cuántico. Por lo tanto, la aceptación infinita de fotones tiene una advertencia: debe existir el estado cuántico apropiado para recibirlo.

Sin embargo, ¿qué pasaría si faltaran los estados cuánticos? ¿Decir que una cavidad podría aceptar un fotón, o dos fotones, pero no tres fotones porque faltaba el estado de tres fotones? ¿Cómo se comportaría la luz?

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Muy a menudo se realiza un experimento similar, pero generalmente se realiza a intensidades ópticas mucho más altas. Supongamos que tenemos una cavidad óptica que contiene un bloque de vidrio. Si hacemos brillar un láser con el color correcto, la luz comienza a entrar en la cavidad. A medida que aumenta la intensidad de la luz en la cavidad, el vidrio reacciona a la intensidad cambiando sus propiedades ópticas; por lo general, el índice de refracción cambia ligeramente.

Una vez que esto sucede, la luz descubre repentinamente que es del color equivocado y ya no puede resonar en la cavidad. El láser también es del color incorrecto, por lo que no entra luz nueva en la cavidad. La intensidad de la luz cae bruscamente y el índice de refracción del vidrio vuelve a su valor normal. En buenas condiciones, puede terminar con una situación estable en la que la intensidad de la luz en la cavidad alcanza un valor constante. Pero, en otras circunstancias, la intensidad de la luz en la cavidad fluctúa periódicamente porque la intensidad de la luz se excede y disminuye.

Pero en realidad es una imagen clásica de la física, que funciona porque hay muchos fotones involucrados. ¿Qué sucede cuando entra en juego la naturaleza cuántica de la cavidad?

ir cuántico

Esto es exactamente lo que los investigadores franceses se han comprometido a estudiar. Los investigadores no utilizaron cavidades ópticas, sino que cambiaron a cavidades de microondas en forma de caja de aluminio, que se asemeja a un horno de microondas. Adjunto a esto había un qubit superconductor (un anillo de material superconductor interrumpido por un espacio de material no superconductor). La caja de aluminio es completamente pasiva y solo acepta las frecuencias que sus dimensiones permiten. Por sí mismo, se comporta como un resonador ordinario, por lo que la luz puede acumularse hasta una intensidad que depende de la intensidad de la radiación impulsora y del tiempo que permanece la luz en el resonador.

El qubit es ligeramente diferente. Aunque también es un resonador, se puede ajustar para que resuene con diferentes colores de luz. Al igual que nuestro bloque de vidrio anterior, esta configuración depende de la intensidad de la luz que experimenta, incluida la luz de la cavidad de aluminio. Esto, a su vez, cambia la frecuencia de resonancia de la cavidad de aluminio, ya que ambos objetos influyen en la luz en las circunstancias adecuadas.

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La imagen es la siguiente: los investigadores deciden que solo quieren un máximo de dos fotones en la cavidad de aluminio, por lo que ajustan el qubit para sacar la cavidad de resonancia para una intensidad de luz correspondiente a tres fotones. (De hecho, probaron una serie de diferentes recuentos de fotones en diferentes experimentos). Esto se hizo eligiendo la frecuencia del controlador qubit de manera adecuada.

Los investigadores encontraron que la cantidad de fotones en la cavidad siempre estuvo por debajo del nivel de bloqueo. Si la cavidad está ajustada para aceptar un solo fotón, entonces el número de fotones en la cavidad todavía varía entre cero y uno periódicamente. Parece el comportamiento clásico, pero con un giro. Clásicamente, la frecuencia resonante de la cavidad debería cambiar solo si el segundo fotón estar en la cavidad Pero, según las mediciones, esto nunca sucede. De alguna manera el muy posibilidad de un cambio de frecuencia evita que el segundo fotón entre en la cavidad.

Podrías estar pensando, bueno, tal vez hay un error aquí y, de hecho, el primer fotón cambia la frecuencia lo suficiente como para mantener fuera al segundo fotón. Pero sabemos que eso no es cierto. Si el primer fotón indujera un cambio de frecuencia lo suficientemente grande como para evitar que el segundo entrara, el primer fotón se perdería rápidamente.

En otras palabras, esperaríamos que la oscilación entre cero y un fotón fuera mucho más rápida, porque la intensidad de la luz en la cavidad decaería mucho más rápido. En otras palabras, el acoplamiento entre la fuente de microondas y la cavidad, y la reflectividad de las paredes de aluminio nos dice cuánto tiempo esperamos que permanezca un fotón en la cavidad. Si el primer fotón cambia la frecuencia de resonancia, este valor debería caer. Sin embargo, no parece hacer eso.

Los investigadores probaron el experimento para límites de dos, tres, cuatro y cinco fotones. En cada caso, muestran que la intensidad se acumula hasta un número de fotones que está justo uno por debajo del nivel establecido, y luego la intensidad oscila entre ese número y cero.

Lo bueno es que todo el experimento se comporta un poco como un átomo artificial en estados excitados. Al ser artificial, puede ser sintonizado y utilizado para diferentes experimentos. No nos dirá mucho sobre los átomos reales, pero tal vez pueda reemplazar a los átomos reales para varias aplicaciones en la física cuántica.

Incluso si no se puede usar para otros experimentos, no me importa. Este es el tipo de experimento que me deja boquiabierto: muestra la marcada y clara diferencia entre nuestra experiencia clásica y la realidad cuántica que la subyace.

La ciencia2015, DOI: 10.1126/ciencia.1259345

Imagen del listado del usuario de Flickr woodleywonderworks

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