La cuanticidad macroscópica está en la base de la física fundamental y sirve de puente entre los mundos clásico y cuántico. Sin embargo, estos estados son frágiles: la interacción con el entorno los destruye rápidamente. Por eso es importante prepararlos en tiempos más cortos que los de relajación y desfase. El desarrollo de la óptica cuántica de campo intenso, en particular del vacío comprimido brillante con un número de fotones de hasta $10^{13}$ por modo, hace realidad este enfoque. El trabajo se sitúa junto a las investigaciones sobre entrelazamiento cuántico en colisiones, gatos cuánticos de 120 fotones y sensores cuánticos para materia oscura, pero se distingue por centrarse en la generación ultrarrápida de estados macroscópicos de la materia mediante una única medición de la luz.
El autor construye una teoría combinando la aproximación de campo externo (válida para luz multifotónica y acoplamiento electrón-fotón débil) con la representación de Yanski del estado de vacío comprimido como superposición de estados coherentes. En este enfoque, el campo se describe como clásico para cada rama, y la cuanticidad entra a través de la superposición. Después se considera la medición de la cuadratura de la luz tras la interacción, que se describe con operadores de Kraus. Para el modelo de Tavis-Cummings y el modelo de Dicke se deducen expresiones analíticas del estado condicional de la materia. La validez de la aproximación de campo externo se comprueba numéricamente comparándola con una simulación completa del sistema luz-materia.
La dinámica incondicional de la materia bajo la sola acción del vacío comprimido da una mezcla clásica de estados controlados por láser, sin coherencia cuántica. Sin embargo, al medir la cuadratura de la luz transmitida, la materia pasa a una superposición cuántica con pesos gaussianos. Para el modelo de Tavis-Cummings, esto actúa como un filtro gaussiano sobre la polarización eléctrica colectiva, seleccionando el estado de Dicke con autovalor cero. La información cuántica de Fisher (QFI) crece como $N^2$, alcanzando una densidad de N/2+1, lo que indica entrelazamiento macroscópico. Con una resolución de medición finita, la QFI ponderada por la probabilidad de éxito escala como N^(3/2), lo que supera el límite cuántico estándar. En el modelo de Dicke, los términos contrarrotantes provocan una transición estroboscópica a un estado tipo gato polarizado en z, parecido al estado de Greenberger-Horne-Zeilinger. El tiempo de preparación viene determinado por la inversa de la intensidad efectiva del campo $F_c$ = g exp(r), lo que permite alcanzar escalas de attosegundos con parámetros realistas.
El trabajo se distingue de las investigaciones cercanas en que propone una única medición de la cuadratura de la luz para la preparación ultrarrápida de estados cuánticos macroscópicos de la materia, mientras que otros enfoques emplean mediciones cuánticas no destructivas continuas o procesos disipativos con tiempos fijados por la velocidad de medición. Aquí el tiempo lo fija la fuerza del campo, lo que es intrínsecamente más rápido. Esto abre el camino a la metrología cuántica más allá del límite cuántico estándar en tiempos ultracortos.
El tema puede desarrollarse teniendo en cuenta una estructura más realista de los modos de luz, incluidos procesos de dispersión multicanal y el ajuste de modos con el oscilador local en la detección homodina. También es importante investigar la influencia de la inhomogeneidad del acoplamiento y del desajuste de frecuencia en el proceso de filtrado. Otra dirección es la optimización de la probabilidad de éxito incorporando resultados con cuadratura distinta de cero, lo que podría recuperar el escalado de Heisenberg.
El método puede aplicarse a átomos, moléculas y sistemas electrónicos de estado sólido para la ingeniería ultrarrápida de estados cuánticos. Esto influirá en la metrología cuántica, la computación cuántica y las pruebas fundamentales de la mecánica cuántica.
El siguiente paso será un análisis detallado de la probabilidad de éxito teniendo en cuenta todos los resultados de la medición y la optimización de los parámetros para alcanzar el límite de Heisenberg. También es necesario cuantificar la influencia del desfase y la relajación en sistemas reales.
El trabajo está directamente relacionado con el problema de preservar la coherencia cuántica en sistemas macroscópicos y de alcanzar la ventaja cuántica en metrología. Propone una solución que elude la decoherencia mediante la preparación ultrarrápida, lo que constituye un desafío clave de la física cuántica.
Un vacío comprimido brillante puede contener hasta $10^{13}$ fotones en un solo modo, una cifra comparable al número de estrellas de una galaxia pequeña. Al mismo tiempo, su naturaleza cuántica se manifiesta en la superposición de estados coherentes, y no simplemente en el ruido.
La idea de la superposición cuántica macroscópica resuena con el gato de Schrödinger, y la creación de estados de la materia tipo gato recuerda a las tramas sobre computadoras cuánticas, donde esos estados se usan para calcular.