Una pelota de fútbol no es una partícula cuántica. Existen diferencias cruciales entre las cosas que sabemos de la vida cotidiana y los diminutos objetos cuánticos. Los fenómenos cuánticos suelen ser muy frágiles. Para estudiarlos, normalmente se usa solo una pequeña cantidad de partículas, bien protegido del medio ambiente, a las temperaturas más bajas posibles.

A través de una colaboración entre la Universidad de Viena, la Academia de Ciencias de Austria y TU Wien, sin embargo, ahora ha sido posible medir una esfera de vidrio caliente que consta de aproximadamente mil millones de átomos con una precisión sin precedentes y controlarla a nivel cuántico. Su movimiento se ralentizó deliberadamente hasta que asumió el estado fundamental de menor energía posible. El método de medición casi alcanzó el límite establecido por el principio de incertidumbre de Heisenberg; la física simplemente no permite más precisión que eso. Esto fue posible mediante la aplicación de métodos especiales desde la ingeniería de control a los sistemas cuánticos. Los resultados ya se han publicado en la revista científica. Naturaleza .

La precisión perfecta es imposible

La medición influye en el objeto medido:este es uno de los principios más básicos de la teoría cuántica. "Werner Heisenberg ideó un famoso experimento mental:el llamado microscopio de Heisenberg", explica el físico Lorenzo Magrini, el primer autor del estudio de la Universidad de Viena. "Si desea medir la posición de un objeto con mucha precisión bajo un microscopio, tienes que usar luz con la longitud de onda más corta posible. Pero la longitud de onda corta significa mayor energía, por lo que el movimiento de la partícula se ve perturbado con más fuerza ". Simplemente no se puede medir con precisión la ubicación y el estado de movimiento de una partícula al mismo tiempo. El producto de sus incertidumbres siempre está limitado por la constante de Planck; esta es la llamada Principio de incertidumbre de Heisenberg. es posible averiguar qué tan cerca se puede llegar a este límite establecido por la naturaleza.

El equipo del profesor Markus Aspelmeyer en la Universidad de Viena está investigando esto utilizando una esfera de vidrio con un diámetro de menos de 200 nanómetros, que consta de aproximadamente mil millones de partículas, muy pequeñas para nuestros estándares cotidianos, pero sigue siendo muy grande en comparación con los objetos que se estudian habitualmente en física cuántica.

La esfera de vidrio se puede mantener en su lugar con un rayo láser. Los átomos de la esfera son calentados por el láser, y la temperatura interna de la esfera se eleva a varios cientos de grados Celsius. Esto significa que los átomos de la esfera de vidrio se bambolean violentamente. En el experimento, sin embargo, no fueron los movimientos tambaleantes de los átomos individuales los que se estudiaron, sino el movimiento colectivo de la esfera en la trampa láser. "Éstas son dos cosas completamente diferentes, así como el movimiento de un péndulo en un reloj de péndulo es algo diferente del movimiento de los átomos individuales dentro del péndulo, "dice Markus Aspelmeyer.

Tecnología de control cuántico

El objetivo era controlar con precisión el movimiento pendular de la esfera de vidrio a nivel cuántico, a pesar de que la esfera de vidrio es en realidad un objeto macroscópico. Esto solo se puede lograr utilizando un sistema de control perfectamente diseñado, cuidadosamente ajustado al experimento. Esta tarea fue asumida por el equipo del Prof. Andreas Kugi en TU Wien.

"La ingeniería de control consiste en influir en los sistemas de tal manera que muestren un comportamiento deseado independientemente de las perturbaciones y las fluctuaciones de los parámetros, "dice Andreas Kugi." Esto puede ser un brazo robótico, por ejemplo, una línea de producción en una fábrica, o incluso la temperatura de un alto horno. "La aplicación de métodos modernos de ingeniería de control a los sistemas cuánticos abre nuevas posibilidades". uno también tiene que enfrentar desafíos que no existen en la teoría clásica de sistemas y la ingeniería de control, "explica Kugi." En la ingeniería de control clásica, la medición tiene una influencia nula o insignificante en el sistema. En física cuántica, sin embargo, esta influencia no se puede evitar, por razones muy fundamentales. Por lo tanto, también tenemos que desarrollar nuevos métodos de ingeniería de control ".

Esto fue un éxito:la luz dispersada por la esfera de vidrio se detectó lo más a fondo posible, utilizando una técnica de microscopía sofisticada. Analizando la luz dispersa, la posición de la esfera se determinó en tiempo real, y luego se ajustaba continuamente un campo eléctrico de tal manera que contrarrestaba permanentemente el movimiento de la esfera de vidrio. De este modo, fue posible ralentizar toda la esfera y ponerla en un estado de movimiento que corresponde al estado fundamental de la física cuántica, es decir, el estado de la energía cinética más pequeña posible, a pesar de que es un objeto relativamente grande a altas temperaturas, cuyos átomos se bambolean vigorosamente.

Prometedora cooperación entre la física y la ingeniería de control

"Siempre hay que considerar la incertidumbre espacial y cinética juntas. En general, la incertidumbre cuántica de la esfera de vidrio era sólo 1,7 veces el cuanto de acción de Planck, "dice Lorenzo Magrini. La constante de Planck sería el límite inferior teórico absoluto, nunca antes un experimento se había acercado tanto al límite cuántico absoluto utilizando un objeto de este tamaño. La energía cinética medida en el experimento correspondió a una temperatura de solo 5 micro-Kelvin, es decir, 5 millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Por lo tanto, al movimiento de la esfera de vidrio en su conjunto se le puede asignar una temperatura extremadamente baja, incluso si los átomos que forman la esfera están muy calientes.

Este éxito muestra el gran potencial de esta nueva combinación de física cuántica e ingeniería de control:ambos grupos de investigación quieren seguir trabajando en esta dirección y explotar el conocimiento de la ingeniería de control para permitir experimentos cuánticos aún mejores y controlados con mayor precisión. Hay muchas aplicaciones posibles para esto, desde sensores cuánticos hasta tecnologías del campo de la información cuántica.