Superposición cuántica de una nanopartícula: el pegamento con un solo electrón
Contexto
La levitación óptica de nanopartículas ya ha permitido enfriar su movimiento hasta el estado cuántico fundamental y observar efectos cuánticos, pero preparar estados no clásicos del centro de masas sigue siendo una tarea difícil. Los esquemas estándar requieren potenciales no lineales que, debido al límite de difracción, producen variaciones espaciales del orden de micrómetros, mientras que la anchura del paquete de ondas de la partícula en el estado fundamental es de unos 10 picómetros. Por eso se suele recurrir a expandir el paquete de ondas y luego recapturar la partícula, pero una gran separación espacial acelera bruscamente la decoherencia. Este trabajo se aparta de esa corriente: en lugar de expandir el estado, utiliza la naturaleza cuántica de un electrón solitario, que actúa como un «agente» microscópico que influye en un objeto mesoscópico. Cerca, en el archivo, hay trabajos sobre redes cuánticas como laboratorios gravitatorios, sobre gatos de Schrödinger hechos de miles de átomos y sobre algoritmos cuánticos, pero vecinos directos que resuelvan la misma tarea de pegar un electrón a una nanopartícula casi no hay.
Métodos
El protocolo comienza con la preparación de una nanopartícula levitante cargada (radio de 50 nm, frecuencia de trampa de 100 kHz) en el estado fundamental de una trampa armónica. Luego se prepara un electrón solitario en un estado time-bin: una superposición de los momentos de llegada temprano y tardío con fase controlable. El electrón colisiona con la superficie de la partícula y se adhiere, reduciendo su carga en una unidad elemental. Al mismo tiempo se aplica un pulso corto de campo eléctrico, cuyo perfil está diseñado de modo que, si el electrón llegó temprano, la partícula recibe un empujón de impulso hacia un lado, y si llegó tarde, hacia el lado opuesto. El campo se conmuta en un tiempo mucho menor que el período de oscilación de la partícula, por lo que durante el tiempo de preparación su movimiento y su decoherencia quedan congelados. Después, la partícula evoluciona en la trampa armónica durante medio período y se mide su coordenada con una resolución de unos 85 pm. Repitiendo el experimento con distintas fases del estado electrónico, se reconstruye el patrón de interferencia.
Resultados
En el caso ideal, tras la colisión y la aplicación del campo, la partícula queda en una superposición de dos estados coherentes con impulsos opuestos, es decir, en un estado de «gatito de Schrödinger». Con fase π, la función de Wigner es negativa al comienzo del espacio de fases, lo que es un indicio de no clasicidad. Para parámetros realistas (empujón de impulso igual al impulso nulo p0, número de ocupación térmico inicial 0.5, velocidad de decoherencia Γ = 0.2ω), la visibilidad de la interferencia alcanza el 50%. Al aumentar el empujón hasta 2p0, la visibilidad cae al 10%. La decoherencia se debe principalmente a la retrodispersión de fotones del láser de la trampa, pero la negatividad de la función de Wigner se conserva durante aproximadamente 5π/12 del período, y con una reducción a la tercera parte de la decoherencia, a lo largo de todo el protocolo. El enfriamiento hasta el estado fundamental no es crítico: incluso con un número medio de fonones cercano a 1, la visibilidad sigue siendo alta gracias al pequeño tamaño del paquete de ondas y al rápido tiempo del protocolo (medio período = 5 μs).
Implicaciones
El trabajo propone una vía radicalmente distinta hacia las superposiciones cuánticas macroscópicas que la de los estudios vecinos. En lugar de expandir el paquete de ondas, usar potenciales no lineales o liberar y recapturar la partícula, aquí se aprovecha la transferencia directa de coherencia cuántica desde un electrón solitario hasta un objeto mesoscópico. Es el primer esquema en el que el control de la fase de un sistema microscópico (el electrón) genera interferencia en el movimiento de un objeto que es $10^{12}$ veces más masivo. Este enfoque elimina la exigencia de precisión en el control de la propia nanopartícula y traslada la dificultad a la bien desarrollada técnica de interferometría electrónica. Si el protocolo se llega a realizar, permitirá crear superposiciones cuánticas de objetos al menos cinco veces más masivos que el récord actual, abriendo la puerta a una verificación experimental de los modelos de colapso y de la gravedad cuántica.
Desarrollo futuro
El desarrollo inmediato está relacionado con aumentar la visibilidad de la interferencia reduciendo la decoherencia por retrodispersión de fotones. El uso de haces vectoriales con polarización radial puede reducir a la tercera parte la velocidad de calentamiento, lo que conservaría la negatividad de la función de Wigner a lo largo de todo el protocolo. Otra dirección es aumentar el empujón de impulso para crear estados más distinguibles, aunque esto intensifica la decoherencia. Es posible optimizar el perfil del campo eléctrico para partículas con carga inicial arbitraria, algo que ya se considera en el apéndice. En perspectiva, el protocolo puede combinarse con métodos de control cuántico del movimiento para preparar estados no clásicos más complejos, como superposiciones de estados de Fock o estados comprimidos.
Impacto
El método puede utilizarse en metrología de precisión de fuerzas, ya que las superposiciones de estados de impulso aumentan la sensibilidad a las influencias externas. También ofrece una nueva herramienta para poner a prueba los límites fundamentales de la mecánica cuántica, incluidos los modelos de colapso espontáneo y los posibles efectos de la gravedad cuántica.
Próximos pasos
La realización experimental requerirá integrar una fuente de electrones individuales con una trampa óptica y sincronizar con precisión el pulso eléctrico con el momento de la colisión. Después habrá que demostrar las franjas de interferencia y medir su visibilidad en función de la fase del estado electrónico.
Problemas abiertos clave
En el campo de la optomecánica levitatoria, el problema clave sin resolver sigue siendo la creación y verificación de superposiciones cuánticas macroscópicas a masas cada vez mayores. Este trabajo ataca directamente ese problema, eludiendo el principal obstáculo: la rápida decoherencia cuando se separan espacialmente los paquetes de ondas. También conecta la tarea con la física de electrones individuales, donde la coherencia se controla bien, lo que puede estimular experimentos interdisciplinarios.
Una partícula de 50 nanómetros de radio contiene unos $10^{10}$ átomos, y su masa supera la del electrón en $10^{12}$ veces. Aun así, un único electrón es capaz de llevarla a una superposición cuántica de dos impulsos distintos. Para comparar: es como si el choque con una mota de polvo hiciera que un balón de fútbol volara simultáneamente en dos direcciones opuestas.
La idea de una superposición cuántica macroscópica resuena con el experimento mental de Schrödinger sobre el gato que está vivo y muerto a la vez. En el relato de Ted Chiang «La historia de tu vida» (y en la película «La llegada»), los alienígenas perciben el tiempo de forma no lineal, lo que recuerda al estado time-bin, donde el electrón está en una superposición de dos momentos de llegada.
Cifras clave
- radio de la nanopartícula: 50 nm
- frecuencia de la trampa: 100 kHz
- período de oscilación: 10 μs
- tiempo del empujón de impulso: 100 ns
- intensidad del campo eléctrico: 360 V/m
- visibilidad de la interferencia: 50% con δp = p0
- masa de la partícula respecto al electrón: 1012