Osciladores cuánticos de van der Pol: un baile sin solista ✛

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Dos péndulos en la misma pared, si se balancean desfasados, al cabo de una hora ya marchan al unísono. Esa sincronización la observó ya Christiaan Huygens en 1665, mirando los relojes de su taller. Hoy su observación se repite en el laboratorio, pero con un matiz: los péndulos no son de madera, sino cuánticos.

En una trampa de iones, donde en el vacío cuelgan dos iones de calcio de isótopos distintos, los físicos hicieron oscilar dos modos del cristal: uno en fase y otro en contrafase. Cada modo es un oscilador de van der Pol, es decir, un sistema auto-oscilante con amortiguamiento no lineal. Mediante pulsos láser en las bandas laterales de la transición de 729 nm les confirieron amortiguamiento negativo y pérdidas no lineales, creando un ciclo límite: una trayectoria cerrada hacia la que tiende el sistema. Luego, excitando las bandas laterales rojas comunes, los investigadores acoplaron los osciladores a través de la disipación colectiva, es decir, el amortiguamiento compartido. Y he aquí el resultado: la fase relativa entre los modos se volvió estable, y su valor venía dado por la fase del acoplamiento. Con fase cero, los osciladores oscilaban al unísono; con π, en contrafase; y con π/2, en círculo en el espacio de cuadraturas.

Este baile sin solista es la metáfora de todo el trabajo. Nadie marca el ritmo desde fuera; el orden nace del intercambio mutuo de energía a través del medio común. En el mundo clásico así se sincronizan las luciérnagas en el bosque o las neuronas en el cerebro. En el límite cuántico, donde el ruido y la reacción de las mediciones borran la fase, ese efecto había escapado hasta ahora a los experimentadores. Ahora que dos osciladores cuánticos se han sincronizado por primera vez mediante un acoplamiento disipativo mutuo, se abre el camino hacia redes de muchos ciclos límite. Se podrán investigar estados quimera cuánticos, donde parte del sistema está sincronizada y parte caótica, o la sincronización topológicamente protegida, resistente a defectos. Para la metrología cuántica, estas redes sincronizadas prometen sensores con sensibilidad mejorada, y para la computación cuántica, nuevas formas de controlar códigos bosónicos mediante disipación diseñada.

Huygens, al ver sus péndulos, no podía saber que tres siglos y medio después su descubrimiento se repetiría a nivel de cuantos individuales. Pero el baile sin solista continúa: ahora ya en una trampa, donde dos iones, unidos por un amortiguamiento común, se comportan como un conjunto único, aunque cada uno por separado siga siendo un caos cuántico.