Este experimento de entrelazamiento cuántico revela una fase exótica que podría cambiar la física de la luz

En un laboratorio de la Universidad de Varsovia, un equipo de físicos decidió incorporar un detalle que muchos estudios suelen pasar por alto: lo que ocurre cuando los átomos no solo interactúan con la luz, sino también entre ellos. Ese pequeño cambio metodológico dio lugar a una observación inesperada. En ciertas condiciones, los átomos pueden organizarse de manera colectiva para emitir luz de forma sincronizada y más intensa de lo habitual. Esta emisión, conocida como superradiancia, ya era un fenómeno descrito desde hace décadas, pero lo que el nuevo estudio revela va más allá: existe una fase del sistema completamente distinta, que solo aparece cuando se incorpora el entrelazamiento cuántico entre luz y materia.

El trabajo, publicado en Physical Review Letters y dirigido por João Pedro Mendonça junto con Krzysztof Jachymski y Yao Wang, no solo profundiza en los mecanismos de la superradiancia, sino que demuestra que este fenómeno puede verse alterado —y potenciado— por la interacción local entre los propios átomos. Esta nueva fase, que los autores califican como “exótica”, desafía los modelos anteriores que simplificaban la física cuántica dejando de lado el entrelazamiento. Y al hacerlo, abre la posibilidad de controlar la emisión de luz en dispositivos cuánticos con una precisión que antes no era posible.

Cuando la luz no viaja sola

En física cuántica, los sistemas de luz y materia se estudian a menudo en cavidades ópticas: espacios microscópicos donde la luz rebota entre espejos muy cercanos, generando un entorno estable para estudiar su comportamiento. En estos sistemas, los átomos colocados dentro de la cavidad pueden interactuar con los fotones atrapados en ella. Este entorno cerrado permite que los átomos no se comporten como emisores individuales, sino como parte de un conjunto coordinado.

Uno de los ejemplos más llamativos de este comportamiento colectivo es la superradiancia. En lugar de emitir luz de forma desordenada, los átomos pueden sincronizar sus emisiones, generando un pulso mucho más intenso que la suma de sus partes. Sin embargo, muchos modelos teóricos que intentan describir este fenómeno lo hacen con una gran simplificación: suponen que lo único relevante es la interacción entre los átomos y el campo de luz, ignorando por completo las interacciones directas entre los propios átomos.

El nuevo estudio rompe con esa suposición. Al introducir explícitamente las interacciones dipolo-dipolo de corto alcance —es decir, las fuerzas entre átomos vecinos—, los investigadores observaron que estas pueden amplificar o debilitar la superradiancia. El resultado es una descripción más completa del sistema, que permite prever situaciones en las que este fenómeno no debería ocurrir… y aun así aparece.

El papel central del entrelazamiento

Uno de los conceptos clave que subyace en esta investigación es el entrelazamiento cuántico, una propiedad que conecta dos o más partículas de forma que sus estados quedan correlacionados, incluso a distancia. En este caso, el entrelazamiento no se limita a átomos entre sí, sino que también incluye a los fotones. Este entrelazamiento luz-materia es lo que permite que el sistema actúe como un todo y no como una colección de elementos independientes.

Sin embargo, muchos modelos computacionales tradicionales tratan luz y materia por separado, lo que elimina el entrelazamiento del análisis. Como explican los autores, “los modelos semiclasicos simplifican mucho el problema cuántico, pero al coste de perder información crucial; efectivamente ignoran el posible entrelazamiento entre fotones y átomos, y hemos comprobado que en algunos casos esto no es una buena aproximación” (traducción de: “Semiclassical models greatly simplify the quantum problem but at the cost of losing crucial information; they effectively ignore possible entanglement between photons and atoms, and we found that in some cases this is not a good approximation”).

Para corregir este vacío, el equipo desarrolló un enfoque numérico que incluye explícitamente el entrelazamiento. Este nuevo método revela no solo cómo los átomos se correlacionan entre sí, sino también cómo estas correlaciones afectan la interacción con la luz. Así, pudieron detectar una nueva fase cuántica ordenada, diferente a las ya conocidas, que muestra propiedades superradiantes sin necesidad de los parámetros habituales que suelen desencadenar ese comportamiento.

Una fase exótica con posibles aplicaciones tecnológicas

Este tipo de hallazgo no se queda en la teoría. Los sistemas de luz-materia confinados en cavidades ópticas son una plataforma clave para el desarrollo de tecnologías cuánticas emergentes. Entre ellas destacan las baterías cuánticas, dispositivos que prometen cargarse más rápido y de forma más eficiente al aprovechar fenómenos colectivos como la superradiancia.

La investigación muestra que las interacciones atómicas locales actúan como parámetros ajustables para modular este comportamiento. Al entender cómo influyen estas interacciones, los diseñadores de dispositivos cuánticos podrían optimizar la forma en que se transfiere la energía en estos sistemas. Según afirma el propio Mendonça en declaraciones recogidas en la nota de prensa, “una vez que incluyes el entrelazamiento luz-materia en el modelo, puedes predecir cuándo un dispositivo se cargará rápido y cuándo no”. Este control fino sobre las correlaciones cuánticas también puede ser relevante en otros campos, como las redes cuánticas y los sensores de precisión.

La posibilidad de manipular estas correlaciones sin necesidad de condiciones extremas puede acelerar la llegada de tecnologías cuánticas más accesibles. Además, el nuevo modelo permite identificar configuraciones antes ignoradas que podrían resultar más estables o eficientes, lo que ofrece una ventaja significativa en un campo donde los recursos y el tiempo de procesamiento son limitados.

Un cambio en cómo se modelan los sistemas cuánticos

El valor más profundo del estudio no solo está en la fase exótica identificada, sino en el enfoque que propone para estudiar sistemas cuánticos complejos. Al incorporar el entrelazamiento en los modelos desde el principio, los investigadores muestran que muchas de las aproximaciones anteriores podrían haber dejado fuera comportamientos importantes del sistema.

Esto tiene implicaciones para cómo se desarrollan las simulaciones en física cuántica, un campo donde los recursos computacionales son limitados y las simplificaciones son una herramienta necesaria. El nuevo enfoque sugiere que, al menos en ciertos contextos, esas simplificaciones podrían ocultar fases relevantes o incluso predicciones incorrectas.

En un momento en que la física cuántica comienza a abandonar los laboratorios para convertirse en la base de tecnologías aplicadas, contar con modelos más precisos puede marcar la diferencia entre un diseño funcional y otro inestable. En este sentido, el trabajo de Mendonça y sus colegas podría marcar un punto de inflexión en cómo se simulan y diseñan dispositivos que operan en el régimen cuántico.

Cortesía de Muy Interesante

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