Una transición de fase cuántica, observada por primera vez

Las transiciones de fase incluyen fenómenos tales como la congelación del agua a la temperatura crítica de 0 grados Celsius. Sin embargo, las transiciones de fase también se producen en el nivel mecánico cuántico, donde todavía están relativamente inexploradas por los investigadores.

Un ejemplo de una transición de fase a nivel cuántico es la descomposición de fotones bloqueados, que sólo se descubrió hace dos años, y acaba de ser verificada experimentalmente.

Durante el bloqueo de fotones, un fotón llena una cavidad en un sistema óptico y evita que otros fotones entren en la misma cavidad hasta que se va, bloqueando así el flujo de fotones. Pero si el flujo de fotones aumenta a un nivel crítico, se predice una transición de fase cuántica: el bloqueo de fotones se rompe y el estado del sistema cambia de opaco a transparente.

Esta transición de fase específica ha sido observada experimentalmente por investigadores que, por primera vez, cumplieron las condiciones muy específicas necesarias para estudiar este efecto.

Durante una transición de fase, la sintonización continua de un parámetro externo, por ejemplo la temperatura, conduce a una transición entre dos estados estacionarios robustos con atributos diferentes. Las transiciones de fase de primer orden se caracterizan por la coexistencia de las dos fases estables cuando el parámetro de control está dentro de un cierto rango cercano al valor crítico.

Las dos fases forman una fase mixta en la que algunas partes han completado la transición y otras no, como en un vidrio que contiene agua helada. Los resultados experimentales que el equipo dirigido por Johannes Fink y sus colaboradores publicarán en la revista Physical Review X dan una idea de la base cuántica de este efecto en un sistema microscópico de dimensión cero.

Su disposición consistió en un microchip con un resonador de microondas superconductor que actuaba como la cavidad y unos qubits superconductores que actuaban como los átomos. El chip fue enfriado a una temperatura asombrosamente cercana a cero absoluto -0.01 Kelvin- de modo que las fluctuaciones térmicas no jugaron un papel.

Para producir un flujo de fotones, los investigadores enviaron entonces un tono de microondas continuo a la entrada del resonador en el chip. En el lado de salida, amplificaron y midieron el flujo de microondas transmitido. Para ciertas potencias de entrada, detectaron una señal que se mueve estocásticamente entre la transmisión cero y la transmisión completa, demostrando que la coexistencia esperada de ambas fases había ocurrido.

"Hemos observado este cambio aleatorio entre opaco y transparente por primera vez y de acuerdo con las predicciones teóricas", dice en un comunicado Johannes Fink.

Posibles aplicaciones futuras incluyen elementos de almacenamiento de memoria y procesadores para la simulación cuántica. "Nuestro experimento tardó exactamente 1,6 milisegundos en completarse para cualquier potencia de entrada dada. La simulación numérica correspondiente tomó un par de días en un grupo de supercomputadoras. Esto da una idea de por qué estos sistemas podrían ser útiles para simulaciones cuánticas", explica Fink.

Johannes Fink llegó a IST Austria en 2016 para crear su grupo de trabajo sobre Dispositivos Ciuánticos Integrados. El objetivo principal de su grupo es avanzar e integrar la tecnología cuántica para la computación basada en chips, la comunicación y la detección.