Los investigadores de la TU Wien (Viena) han demostrado que este tipo de enfriamiento se puede lograr de una manera nueva e interesante:un condensado de Bose-Einstein se divide en dos partes, no de manera abrupta ni particularmente lenta, sino con una dinámica temporal muy específica que garantiza que se eviten las fluctuaciones aleatorias de la forma más perfecta posible.

De este modo se puede reducir considerablemente la temperatura relevante en el ya extremadamente frío condensado de Bose-Einstein. Esto es importante para los simuladores cuánticos, que se utilizan en la TU Wien para obtener información sobre los efectos cuánticos que no se podían investigar con métodos anteriores. El estudio se publica en Physical Review X .

Simuladores cuánticos

"En nuestra investigación trabajamos con simuladores cuánticos", afirma Maximilian Prüfer, que investiga nuevos métodos en el Instituto Atómico de la Universidad Técnica de Viena con la ayuda de una beca Esprit de la FWF. "Los simuladores cuánticos son sistemas cuyo comportamiento está determinado por efectos de la mecánica cuántica y que pueden controlarse y supervisarse especialmente bien. Por lo tanto, con estos sistemas se pueden estudiar fenómenos fundamentales de la física cuántica que también se producen en otros sistemas cuánticos y que no se pueden estudiar tan fácilmente. ."

Esto significa que un sistema físico se utiliza para aprender algo sobre otros sistemas. Esta idea no es del todo nueva en física:por ejemplo, también se pueden realizar experimentos con ondas de agua para aprender algo sobre las ondas sonoras, pero las ondas de agua son más fáciles de observar.

"En la física cuántica, los simuladores cuánticos se han convertido en los últimos años en una herramienta extremadamente útil y versátil", afirma Maximilian Prüfer. "Entre las herramientas más importantes para realizar sistemas modelo interesantes se encuentran las nubes de átomos extremadamente fríos, como las que estudiamos en nuestro laboratorio."

En el artículo actual, los científicos dirigidos por Jörg Schmiedmayer y Maximilian Prüfer investigaron cómo evoluciona el entrelazamiento cuántico con el tiempo y cómo se puede utilizar para lograr un equilibrio de temperatura aún más frío que antes. La simulación cuántica también es un tema central en el recientemente lanzado QuantA Cluster of Excellence, en el que se están investigando varios sistemas cuánticos.

Cuanto más frío, mejor

El factor decisivo que actualmente suele limitar la idoneidad de este tipo de simuladores cuánticos es su temperatura. "Cuanto mejor enfríemos los interesantes grados de libertad del condensado, mejor podremos trabajar con él y más aprenderemos de él", afirma Prüfer.

Hay diferentes formas de enfriar algo:por ejemplo, puedes enfriar un gas aumentando su volumen muy lentamente. Con los condensados ​​de Bose-Einstein extremadamente fríos, normalmente se utilizan otros trucos:los átomos más energéticos se eliminan rápidamente hasta que sólo queda un conjunto de átomos, que tienen una energía baja bastante uniforme y, por lo tanto, son más fríos.

"Pero utilizamos una técnica completamente diferente", afirma Tiantian Zhang, primera autora del estudio, que investigó este tema en el marco de su tesis doctoral en la Escuela de Doctorado del Centro de Ciencia y Tecnología Cuánticas de Viena. "Creamos un condensado de Bose-Einstein y luego lo dividimos en dos partes creando una barrera en el medio."

El número de partículas que terminan en el lado derecho y en el lado izquierdo de la barrera es indeterminado. Debido a las leyes de la física cuántica, existe aquí una cierta incertidumbre. Se podría decir que ambos lados están en una superposición física cuántica de diferentes estados numéricos de partículas.

"En promedio, exactamente el 50% de las partículas se encuentran a la izquierda y el 50% a la derecha", afirma Prüfer. "Pero la física cuántica dice que siempre hay ciertas fluctuaciones. Las fluctuaciones, es decir, las desviaciones del valor esperado, están estrechamente relacionadas con la temperatura."

Enfriamiento mediante el control de las fluctuaciones

El equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena pudo demostrar que ni una descomposición extremadamente abrupta ni extremadamente lenta del condensado de Bose-Einstein es óptima. Es necesario encontrar un compromiso, una forma inteligente y adaptada de dividir dinámicamente el condensado, para controlar lo mejor posible las fluctuaciones cuánticas.

Esto no se puede calcular; El problema no se puede resolver con ordenadores convencionales. Pero con experimentos, el equipo de investigación pudo demostrar que se puede utilizar la dinámica de división adecuada para suprimir la fluctuación en el número de partículas, y esto a su vez se traduce en una reducción de la temperatura que se desea minimizar.

"En este sistema existen simultáneamente diferentes escalas de temperatura y bajamos una de ellas muy concreta", explica Prüfer. "Así que no se puede pensar en ello como en un mini refrigerador que en general se enfría notablemente. Pero no estamos hablando de eso:suprimir las fluctuaciones es exactamente lo que necesitamos para poder usar nuestro sistema como un simulador cuántico incluso mejor que antes. Ahora podemos usarlo para responder preguntas de la física cuántica fundamental que antes eran inaccesibles."