Cien iones en una trampa: cómo el ruido cuántico engendra caos
Cien violinistas en una orquesta tocan una misma partitura. Mientras el director marca un tempo uniforme, la música suena predecible. Pero basta con que los músicos empiecen a escucharse entre sí para que cada uno aporte sus pequeñas imprecisiones y, en unos cuantos compases, en lugar de una melodía coordinada nazca una improvisación imposible de anticipar. Los físicos observaron una transición parecida del orden al caos en un cristal de cien iones de berilio atrapados en una trampa magnética.
Los iones en la trampa se comportan como un único objeto cuántico: sus estados internos forman un «espín» colectivo y sus vibraciones conjuntas, una sola «voz» común. Estas dos caras están vinculadas entre sí de un modo parecido a como el arco de un violinista lo está con la cuerda: el movimiento del arco produce sonido y el sonido influye en el movimiento. En el experimento, el acoplamiento entre el espín y las vibraciones era débil, y entonces el sistema se comportaba de manera predecible. Bastó con reforzar el acoplamiento para que el panorama cambiara de golpe.
Cuando el acoplamiento se volvió fuerte, las trayectorias en el espacio de fases se convirtieron en una maraña enredada. El caos, que en la física clásica se describe con un exponente de Lyapunov positivo, aquí nace de las fluctuaciones cuánticas y no de empujones externos. Cerca del punto inestable, donde la dinámica clásica se detiene, es precisamente el ruido cuántico de vacío el que desencadena una avalancha de excitaciones por pares. Un espín se invierte junto con una vibración, y ese par arrastra al siguiente, como una grieta en el vidrio.
La simulación numérica predice que en este régimen nace una compresión de dos modos: las fluctuaciones cuánticas de una magnitud disminuyen 2,6 dB por debajo del límite cuántico estándar a costa del aumento de las fluctuaciones de otra. Este recurso ya hoy es demandado en la metrología cuántica, donde los estados comprimidos aumentan la sensibilidad de los sensores. Al final del experimento se observaron colapsos y resurgimientos de las oscilaciones de vacío, una confirmación más de que cien iones se comportan como una sola orquesta cuántica que, tras la improvisación caótica, vuelve a encontrar un ritmo común.
Un cristal de cien iones a una temperatura de 0,4 mK se comporta como un único objeto cuántico, aunque cada ion se encuentra a unos 10 micrómetros de sus vecinos. La frecuencia del movimiento axial del centro de masas coincide con la de las vibraciones de la cuerda de un violín, solo que un millón de veces más alta.
La idea del caos cuántico y del entrelazamiento en sistemas de muchas partículas resuena con la novela de Greg Egan «Ciudad permutación», donde la conciencia se modela en un ordenador cuántico y la frontera entre el orden y el caos se desdibuja.