Portal cuántico: cómo la multitud cambia las reglas del tunelamiento
En el mundo cuántico, las partículas pueden atravesar barreras (efecto túnel). Pero cuando hay muchas, su comportamiento colectivo cambia el panorama. Usando un simulador con átomos fríos, barreras, temperatura e interacciones ajustables, los científicos descubrieron una ley universal: con interacción débil, la probabilidad de tunelamiento depende de la temperatura al cuadrado, no linealmente como en partículas solitarias. Al aumentar la interacción, el exponente disminuye, lo que concuerda con la teoría cuántica de campos. Es como si una multitud se filtrara a través de una puerta de forma totalmente distinta a como lo harían transeúntes individuales.
El tunelamiento cuántico — la capacidad de las partículas de atravesar barreras prohibidas por la física clásica — alimenta las estrellas con fusión termonuclear, enciende la nucleosíntesis primordial y nos da la memoria flash. Pero cuando lo que se filtra a través de la barrera no es una partícula solitaria sino todo un enjambre, su comportamiento recuerda al de una multitud intentando pasar por un arco estrecho: la interacción entre ellas cambia radicalmente el panorama. Durante mucho tiempo fue un misterio cómo exactamente las fuerzas entre partículas renormalizan la ley de escala fundamental del tunelamiento, que relaciona la «transitabilidad» crítica de la barrera con la temperatura.
Físicos de la Universidad de Pekín y la Universidad de Ginebra convirtieron un condensado de Bose-Einstein de átomos de rubidio-87 en un simulador cuántico, atrapándolo en una red óptica creada con haces láser cruzados (óptica cuántica). Variando la polarización, reconfiguraban la geometría de la red bidimensional de hexagonal a triangular, y ajustando la intensidad, controlaban el acoplamiento túnel entre los nodos — el análogo del ancho de una puerta. Para identificar el punto crítico donde el tunelamiento se detiene, los investigadores midieron la fracción de átomos que quedaban con momento cero tras una expansión balística (medición cuántica). Así, siguiendo a la multitud de partículas a diferentes temperaturas y fuerzas de interacción, cartografiaron una ley de potencias universal.
Los resultados de simulaciones numéricas con el método de Monte Carlo cuántico confirmaron que la curva Jc ∝ T^α con α no entero describe una amplia clase de sistemas unidimensionales. El exponente α pudo expresarse a través del parámetro de Luttinger K, que depende de la interacción adimensional γ: α = (4K−1)/(2K). Para interacciones débiles (K ≫ 1) se obtiene α ≈ 2, y al aumentar la interacción el exponente desciende lentamente, hasta que — en el límite de acoplamiento muy fuerte — el tunelamiento se vuelve monoparticular y α tiende a la unidad. Por primera vez, se observó en laboratorio este cruce entre la danza colectiva y el avance individual.
El descubrimiento promete un avance en la comprensión de la superconductividad de alta temperatura y en el diseño de ordenadores cuánticos, donde el control del tunelamiento de los pares de Cooper o de los cúbits es crítico. Además, la universalidad del escalamiento sugiere que leyes similares podrían actuar en superconductores orgánicos e incluso en sistemas astrofísicos. Este trabajo sienta las bases para la «ingeniería de multitudes cuánticas»: la posibilidad de ajustar el paso de la información cuántica a través de medios complejos, dando otro paso hacia dispositivos prácticos de información cuántica.
🎯 La transición del tunelamiento colectivo al individual al aumentar la profundidad de la red recuerda a cómo una multitud que intenta cruzar una puerta estrecha cambia su comportamiento bajo una fuerte presión: la interacción hace que todos se «sientan» unos a otros, pero cuando el paso se vuelve demasiado angosto, cada uno se filtra por sí mismo.