Desbloquear los secretos de las transiciones de fase en el hardware cuántico

Los investigadores de EPFL han logrado un resultado notable: capturar y estudiar los cambios de fase en el hardware cuántico, lo que podría ser prometedor para las tecnologías de próxima generación como la computación cuántica y los sensores ultrasensibles.

Las transiciones de fase, como la congelación de agua en hielo, son una parte familiar de nuestro mundo. Pero en los sistemas cuánticos, pueden comportarse aún más dramáticamente, con propiedades cuánticas como la incertidumbre de Heisenberg que juegan un papel central. Además, varios efectos espurios pueden hacer que los sistemas pierdan o disipen energía para el medio ambiente. Cuando suceden, estas “transiciones de fase disipativas” (DPT) empujan los sistemas cuánticos a nuevos estados.

Hay diferentes tipos o “órdenes” de DPT. Los DPT de primer orden son como voltear un interruptor, causando saltos abruptos entre estados. Los DPT de segundo orden son más suaves pero aún transformadores, cambiando una de las características globales de los sistemas, conocida como simetría, de maneras sutiles pero profundas.

Los DPT son clave para comprender cómo se comportan los sistemas cuánticos en condiciones de no equilibrio, donde los argumentos basados en la termodinámica a menudo no proporcionan respuestas. Más allá de la pura curiosidad, esto tiene implicaciones prácticas para construir computadoras y sensores cuánticos más robustos. Por ejemplo, los DPT de segundo orden podrían mejorar el almacenamiento de información cuántica, mientras que los DPT de primer orden revelan mecanismos importantes de estabilidad y control del sistema.

Teóricamente, se ha predicho que los DPT muestran propiedades específicas, como la desaceleración y la bistabilidad, que ocurren con escalas específicas de ley de potencia. Hasta ahora, observarlos ha sido un gran obstáculo científico —, especialmente los de segundo orden.

Pero ahora, un equipo de investigadores ha hecho precisamente eso. Dirigidos por el profesor Pasquale Scarlino en EPFL, desarrollaron un resonador Kerr superconductor, un dispositivo con propiedades cuánticas controlables, y lo diseñaron para experimentar una unidad de dos fotones, que envía pares de fotones al sistema para controlar cuidadosamente su estado cuántico y estudiar cómo transita entre diferentes fases.

Al variar sistemáticamente parámetros como la separación y la amplitud de la unidad, pudieron estudiar las transiciones systemis de un estado cuántico a otro. El enfoque les permitió observar tanto un DPT de primer orden como de segundo orden.

Para garantizar la precisión, los experimentos se llevaron a cabo a temperaturas cercanas al cero absoluto, reduciendo el ruido de fondo a casi nada. El resonador Kerr fue fundamental porque puede amplificar los efectos cuánticos que a menudo son demasiado sutiles para observar. Debido a que puede responder a señales de dos fotones con extrema sensibilidad, los investigadores pudieron usarlo para explorar transiciones de fase con una precisión sin precedentes, algo que las configuraciones tradicionales simplemente no pueden lograr.

La configuración permitió al equipo monitorear el comportamiento de los fotones emitidos por el resonador con detectores ultrasensibles. Mediante el uso de técnicas matemáticas avanzadas, como la conexión con las propiedades espectrales del superoperador Liouvilliano—, una herramienta que modela procesos cuánticos complejos—, los científicos pudieron rastrear y analizar con precisión las transiciones de fase de los sistemas.

Para el DPT de segundo orden, el equipo observó un fenómeno llamado “squeezing,” donde las fluctuaciones cuánticas caen a niveles más bajos que el ruido de fondo natural del espacio vacío, lo que indica que el sistema ha alcanzado un estado altamente sensible y transformador. Mientras tanto, el DPT de primer orden mostró distintos ciclos de histéresis, donde el sistema podría existir en dos estados dependiendo de cómo se ajustaron los parámetros.

En segundo lugar, encontraron evidencia clara de estados metaestables durante el DPT de primer orden, donde el sistema permaneció temporalmente en un estado estable antes de pasar abruptamente a otro. Este comportamiento, que conduce a una dependencia del estado de systems en su historia anterior conocida como histéresis, muestra cómo los DPT de primer orden involucran fases competitivas.

Por último, observaron una «desaceleración crítica» en ambos tipos de transiciones, reproduciendo la escala esperada obtenida de la consideración teórica. Esto demuestra en última instancia la validez de las predicciones teóricas basadas en la teoría liouviliana utilizada por los autores. Cerca de los puntos críticos, la respuesta de systemis se desaceleró significativamente, destacando una característica universal de las transiciones de fase que podrían aprovecharse para mediciones cuánticas más precisas.

Comprender los DPT abre nuevas posibilidades para diseñar sistemas cuánticos que sean estables y receptivos. Esto podría revolucionar las tecnologías de la información cuántica, como la corrección de errores en la computación cuántica o el desarrollo de sensores cuánticos ultrasensibles.

En términos más generales, esta investigación muestra el poder de la colaboración interdisciplinaria, que combina física experimental, modelos teóricos avanzados e ingeniería de vanguardia para explorar las fronteras de la ciencia.

“De hecho, un aspecto muy interesante de este trabajo es que también demuestra cómo la estrecha colaboración entre la teoría y el experimento puede conducir a resultados mucho mayores de lo que cualquiera de los grupos podría haber logrado de forma independiente,” dice Guillaume Beaulieu, el primer autor de los artículos.

Otros contribuyentes

• Universidad Sapienza
• Universidad Aalto
• Universidad de Pavía

Financiación

Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF)

Secretaría de Estado de Educación, Investigación e Innovación (SERI)

EPFL

Consejo de Investigación de Finlandia

Referencias

Guillaume Beaulieu, Fabrizio Minganti, Simone Frasca, Vincenzo Savona, Simone Felicetti, Roberto Di Candia, Pasquale Scarlino. Observación de transiciones de fase disipativas de primer y segundo orden en un resonador Kerr impulsado por dos fotones. Nature Communications 10 marzo 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-56830-w

EPFL News. P. N. Traducido al español