Caracterizando la sincronización cuántica espontánea

La sincronización espontánea entre diferentes unidades que interaccionan es un ejemplo paradigmático de fenómeno colectivo. En la última década ha crecido el interés entre la comunidad científica de investigar este fenómeno en el contexto de sistemas cuánticos, en los cuales no es posible observar la trayectoria temporal de los mismos. Esto ha conducido a una gran variedad de maneras en las que aproximarse al estudio de la sincronización cuántica espontánea.

En este contexto, un estudio llevado a cabo por investigadores del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC, UIB-CSIC) y publicado en la revista Physical Review Letters ha estudiado las propiedades de un sistema cuántico con sincronización espontánea en una red unidimensional.

El sistema planteado por los investigadores está constituido por un potencial láser que acopla elementos cuánticos en forma de cadena unidimensional. Cada uno de los elementos tiene dos niveles energéticos disponibles, así que debido a su carácter cuántico se podrá encontrar en uno de ellos o en una superposición de ambos.

De manera espontánea, el entorno en el que se encuentra un sistema cuántico actúa como un disipador y lleva al sistema a su estado de menor energía, aumentando su decoherencia. De esta manera reduce su superposición, que es un fenómeno puramente cuántico. En el caso en el que un elemento se encuentre en un nivel determinado (y no en una superposición de ambos) se considera que el elemento cuántico ha sufrido decoherencia y está en un régimen clásico. La tasa a la cual decae cada uno de los elementos del sistema cuántico a un régimen clásico, es decir, la tasa a la cual aumenta su decoherencia, se denomina “decay rate” y depende de las características del propio elemento.

En el sistema planteado por los investigadores, se conectaron cuatro de estos elementos cuánticos en forma de cadena unidimensional. Debido a la interacción que existe entre los elementos al conectarse, se producen varias excitaciones colectivas que pueden mostrar sincronización. Esta sincronización es más evidente cuando una de estas excitaciones colectivas domina sobre el resto, es decir, se ve menos afectada por el entorno disipativo. Este fenómeno espontáneo se aprecia en los observables de los elementos conectados, que empiezan a oscilar de manera coherente.

Los investigadores encontraron que cuanta mayor es la diferencia en el “decay rate”, más dominante es una de las excitaciones colectivas y por tanto mayor sincronización aparece en el sistema. Es decir, la sincronización entre las unidades cuánticas es mayor cuanto mayores son las diferencias entre las características de las mismas.

Uno de los aspectos más destacables del estudio es su universalidad. Las propiedades encontradas son extensibles a cualquier sistema cuántico de dos niveles, como puede ser un conjunto de átomos fríos, es decir, a baja energía.

Cabot, Albert; Giorgi, Gian Luca; Galve, Fernando; Zambrini, Roberta 
Physical Review Letters 123, 023604 (1-6) (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.023604