La luz puede comportarse como un imán

Físicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, y de la Universidad Diderot, en Francia, han presentado un simulador cuántico que demuestra cómo las partículas de la luz (fotones) pueden comportarse como dipolos magnéticos a temperaturas cercanas al cero absoluto, siguiendo las leyes de la mecánica cuántica.
 

Los sistemas de materia condensada, como los materiales magnéticos (que contienen muchas partículas interactivas) muestran un comportamiento complejo difícil de modelar, incluso utilizando los programas informáticos más sofisticados. Sin embargo, el nuevo simulador permite emular estas condiciones, facilitando su observación.
 

Basado en estudios teóricos, el simulador emplea un dispositivo fotónico simple que, mediante láser, imita el comportamiento de materiales complejos en condiciones extremas. Ya en 1981, el físico Richard Feynman argumentó que es posible simular un comportamiento tan complejo utilizando un aparato artificial, gobernado por las mismas leyes cuánticas, lo que se conoce como un simulador cuántico. Este nuevo dispositivo se podrá utilizar para estudiar una amplia gama de sistemas cuánticos.
 

Transición de fase cuántica
 

A temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 °C), los imanes pueden sufrir una transición de fase cuántica. Esto significa que cambian entre dos estados, al igual que el hielo que se derrite en el agua, en una transición de fase convencional.
 

En la una transición de fase cuántica, el imán cambia de estado, exceptuando los puntos cercanos al de la transición, donde el sistema manifiesta un entrelazamiento cuántico, la característica más importante predicha por la mecánica cuántica. El planteamiento de este fenómeno en términos de fotones implica la superposición de estados de dos partículas de luz.

Estudiar este fenómeno en materiales reales es una tarea desafiante para los físicos experimentales. El nuevo simulador cuántico, presentado por Vincenzo Savona, de la EPFL, y colegas, puede mostrar el mismo comportamiento que en el llamado modelo de Ising, que describe la interacción de los espines magnéticos cuánticos.
 

"El simulador es un dispositivo fotónico simple que se puede construir y ejecutar fácilmente con las técnicas experimentales actuales", explica el doctor Riccardo Rota, director del estudio, en un comunicado. "Pero lo que es más importante es que puede simular el complejo comportamiento de imanes reales e interactivos a temperaturas muy bajas".
 

Herramienta experimental
 

El simulador puede construirse utilizando circuitos superconductores, la misma plataforma tecnológica utilizada en los ordenadores cuánticos modernos. Los circuitos están acoplados a campos de láser de tal manera que causan una interacción efectiva entre los fotones.
 

Savona y su equipo de físicos teóricos comenzaron modelando el comportamiento del simulador a través de simulaciones por ordenador tradicionales, que se pueden hacer cuando el simulador cuántico aborda un sistema lo suficientemente pequeño. “Nuestros hallazgos demuestran que el simulador cuántico que proponemos es viable, y ahora estamos negociando con grupos experimentales, a quienes les gustaría construirlo y usarlo", explica Savona.
 

“Nuestro simulador se puede aplicar a una amplia clase de sistemas cuánticos, lo que permite a los físicos estudiar varios fenómenos cuánticos complejos”, apunta Rota. “Es un avance verdaderamente notable en el desarrollo de tecnologías cuánticas".
 

Referencia

Quantum critical regime in a quadratically-driven nonlinear photonic lattice. R. Rota et al. Physical Review Letters, 21 March 2019. DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.110405.