Investigadores del Instituto Suizo de Nanociencia de la Universidad de Basel acaban de publicar un artículo reportando por vez primera el estudio de un sistema cuántico retroalimentado coherentemente (ver: Gian-Luca S. et al., “Coherent Feedback Cooling of a Nanomechanical Membrane with Atomic Spins”. Physical Review X, 2022; 12-1).
Los sistemas retroalimentados son parte de la cotidianidad de la industria y del hogar. Un ejemplo es el equipo de aire acondicionado de muchas casas y edificios. En estos sistemas un sensor mide la temperatura ambiente, la cual se compara con la temperatura que los usuarios o habitantes del lugar desean. Por ejemplo: Si usted fijó una temperatura para su habitación de veintidós grados centígrados, pero sucede que la temperatura ambiente es de treinta y cinco grados (¡hace mucho calor!), entonces el sistema comparará el valor deseado (22 C) con el valor real de la habitación (35 C). Como resultado de esta comparación se encenderá el aire acondicionado de la habitación hasta que la temperatura de la habitación baje y el sensor de temperatura detecte los 22 grados que usted desea y en ese momento el aire acondicionado momentáneamente se apagará hasta que las temperaturas, deseada y real, nuevamente sean diferentes.
El problema de tratar de realizar esta idea a nivel cuántico radica en que la medición de temperatura de un sistema cuántico perturba la temperatura del mismo sistema. Una forma de resolver esto dentro del ámbito cuántico es por medio de retroalimentación coherente. El sistema estudiado por el equipo suizo consiste de dos elementos; una membrana muy pequeña pero macroscópica, y una nube de átomos que se encuentra acoplada con la membrana por medio de un haz láser.
El circuito total está formado por el sistema macroscópico (la membrana) y el sistema cuántico (la nube de átomos) los que se encuentran separados más de un metro de distancia. Lo sorprendente de este sistema es que la membrana puede enfriarse pasando de la temperatura ambiente a temperaturas cercanas al cero absoluto. En el proceso de enfriamiento la energía de la membrana es transmitida por medio del rayo láser a la nube atómica. De este modo se está usando al sistema cuántico como sistema de control de la membrana. La retroalimentación coherente describe la situación en la que dos sistemas cuánticos interaccionan. Uno de los sistemas actúa como control del otro y por tanto no se requiere de ninguna medición.
En lugar de esto el sistema de control se configura para llevar una parte del sistema al estado deseado por medio de una interacción cuántica. En este experimento la nube atómica actúa como unidad cuántica de control. Este tipo de experimentos en donde los sistemas de control son unidades cuánticas y no clásicas (como en el caso del enfriamiento de una habitación) serán fundamentales para el desarrollo de tecnologías en el futuro inmediato.