Físicos de la Universidad de Chicago han inventado una «flauta cuántica» que, como el flautista de Hamelin, puede obligar a las partículas de luz a moverse juntas de una forma nunca antes vista.

Descrito en dos estudios publicados en Cartas de revisión física y Naturaleza físicael avance puede señalar el camino a la realización recuerdos cuánticos o nuevas formas de corregir errores en computadoras cuánticas y observar fenómenos cuánticos que no se pueden ver en la naturaleza.

Asociación El laboratorio del Prof. David Schuster trabaja en bits cuánticos– el equivalente cuántico de un bit de computadora – que explota las extrañas propiedades de las partículas a nivel atómico y subatómico para hacer cosas que de otro modo serían imposibles. En este experimento, estaban trabajando con partículas de luz, conocidas como fotones, en el espectro de microondas.

El sistema que crearon consiste en una cavidad larga hecha de un solo bloque de metal, diseñada para capturar fotones en frecuencias de microondas. La cavidad se hace perforando orificios compensados, como los orificios de una flauta.

«Como en el instrumento musical«, dijo Schuster, «puedes enviar una o varias longitudes de onda de fotones a través de todo, y cada longitud de onda crea una ‘nota’ que puede usarse para codificar información cuánticaLuego, los investigadores pueden controlar las interacciones de las «notas» utilizando un bit maestro cuántico, un circuito eléctrico superconductor.

Pero su descubrimiento más extraño fue la forma en que los fotones se comportaban juntos.

En la naturaleza, los fotones casi nunca interactúan, simplemente se cruzan. Con una preparación meticulosa, los científicos a veces pueden hacer que dos fotones reaccionen ante la presencia del otro.

«Aquí hacemos algo aún más extraño», dijo Schuster. «Al principio, los fotones no interactúan, pero cuando el energía total en el sistema llega a un punto de inflexión, de repente todos están hablando entre sí».

Tener tantos fotones “hablando” entre sí en un experimento de laboratorio es extremadamente extraño, similar a ver a un gato caminando sobre sus patas traseras.

«Por lo general, la mayoría de las interacciones de partículas son uno a uno: dos partículas que rebotan o se atraen entre sí», dijo Schuster. «Si agregas un tercero, por lo general siguen interactuando secuencialmente con uno u otro. Pero este sistema hace que todos interactúen al mismo tiempo».

Sus experimentos solo probaron hasta cinco «notas» a la vez, pero los científicos eventualmente podrían imaginar ejecutar cientos o miles de notas en un solo qubit para controlarlas. Con una operación tan compleja como una computadora cuántica, los ingenieros quieren simplificar todo lo que puedan, dijo Schuster: «Si quisieras construir una computadora cuántica con 1,000 bits y pudieras controlarlos a todos a través de un solo bit, eso sería increíblemente valioso». .»

Los investigadores también están entusiasmados con el comportamiento en sí. Nadie ha observado nada parecido a estas interacciones en la naturaleza, por lo que los investigadores también esperan que el descubrimiento pueda ser útil para simular fenómenos físicos complejos que ni siquiera se pueden ver aquí en la Tierra, incluida quizás incluso parte de la física de los agujeros negros.

Además, los experimentos son simplemente divertidos.

«Por lo general, las interacciones cuánticas ocurren en escalas de tiempo y longitud que son demasiado pequeñas o demasiado rápidas para verlas. En nuestro sistema, podemos medir una sola fotones en cualquiera de nuestras notas, y observa el efecto de la interacción a medida que sucede. En realidad, es realmente genial ‘ver’ una interacción cuántica con el ojo», dijo el investigador postdoctoral de UChicago Srivatsan Chakram, coautor del artículo, ahora profesor asistente en la Universidad de Rutgers.