El New Journal of Physics destaca contribucions clau de l'ICFO a la ciència quàntica

Fa cent anys es van presentar dos formalismes per a la mecànica quàntica. Un, basat en matrius, va ser desenvolupat per Werner Heisenberg, Max Born i Pascual Jordan; l'altre, basat en una equació diferencial, per Erwin Schrödinger. Aquests enfocaments van donar lloc a la mecànica quàntica matricial i ondulatòria, respectivament, establint les bases matemàtiques de la incipient disciplina. Per aquest motiu, les Nacions Unides han designat l’any 2025 com l’Any Internacional de la Ciència Quàntica. Per commemorar aquest esdeveniment, el New Journal of Physics (NJP) ha presentat una col·lecció de deu articles destacats sobre física quàntica publicats a la revista des de la seva fundació, entre els quals s'inclouen dues contribucions significatives de l'ICFO.

Establint l'optomecànica levitada com una nova àrea de recerca

El NJP va destacar un article del 2010 escrit pel Prof. ICREA Dr. Oriol Romero-Isart, que en aquell moment era investigador a l'Institut Max Planck d'Òptica Quàntica i actualment és director de l'ICFO; el Dr. Mathieu L. Juan i el Prof. ICREA Dr. Romain Quidant, tots dos investigadors de l'ICFO en aquell moment; i el Prof. Dr. J. Ignacio Cirac de l'Institut Max Planck d'Òptica Quàntica. En l'article, els autors van proposar aplicar tècniques de control i refrigeració òptica quàntica a objectes levitats en el buit. Aquesta idea va obrir la porta a traslladar el moviment d'objectes macroscòpics—normalment governats per la física clàssica—al règim quàntic.

Els investigadors van suggerir levitar una nanopartícula dielèctrica mitjançant pinces òptiques dins d'una cavitat òptica i refredar-la a través de la tècnica coneguda com a refrigeració per efecte de banda lateral (sideband cooling). Ells van predir que aquests sistemes podrien assolir el nivell d’energia més baix possible, conegut com l'estat fonamental quàntic de moviment. Un cop en aquest estat, van proposar diversos mètodes per situar la nanopartícula macroscòpica en una superposició quàntica de diferents nivells d'energia. L’any 2010, ningú no havia aconseguit refredar una nanopartícula levitada fins al seu estat fonamental. I, amb tot, aquest assoliment es considerava un pas clau cap a l'ús de nanopartícules levitades, les quals contenen milers de milions d'àtoms, en experiments quàntics.

Finalment, el 2021, el grup del Prof. Dr. Markus Aspelmeyer, estret col·laborador de Romero-Isart, va aconseguir transformar la proposta teòrica en realitat experimental. Havent aconseguit refredar una nanopartícula levitada fins a l'estat fonamental quàntic de moviment, ja es poden dur a terme estudis fonamentals de la mecànica quàntica i, en concret, es pot explorar el límit entre el món clàssic i el quàntic. Actualment, estan investigant aquesta frontera en un projecte finançat amb una ERC Synergy Grant, coordinat per Romero-Isart a l'ICFO. “Atès que la nostra proposta és aplicable a objectes dielèctrics, també vam suggerir que, en principi, els mateixos mètodes podrien aplicar-se a microorganismes”, recorda el Prof. Dr. Oriol Romero-Isart, autor principal de l'article teòric seleccionat pel NJP. No obstant això, la superposició quàntica de microorganismes continua essent un repte sense resoldre.

L'article del 2010 va aparèixer el mateix dia que un altre estudi independent del Prof. Dr. Darrick Chang de l'ICFO i els seus col·laboradors. Tots dos són considerats treballs pioners que van ajudar a establir l'optomecànica levitada—l'estudi i control de nano- i micro-objectes levitats en el buit—com una branca reconeguda de la física. Des de llavors, el camp de l’optomecànica levitada ha conduït a diverses aplicacions, incloent sensors millorats d'acceleració i força, així com a estudis de física de molts cossos. A nivell fonamental, el camp continua estretament vinculat a la física quàntica: en portar un objecte mesoscòpic de milers de milions d'àtoms del règim clàssic al quàntic, l'optomecànica levitada busca abordar preguntes fonamentals sobre la naturalesa de la mecànica quàntica a gran escala i la seva interacció amb la gravetat.

Full de ruta de les tecnologies quàntiques

El NJP també va seleccionar un article del 2018: un full de ruta de les tecnologies quàntiques des d’una perspectiva europea, en què van participar els Professors ICREA de l'ICFO, el Dr. Antonio Acín i el Dr. Maciej Lewenstein. L'article resumia l'estat, els assoliments i els desafiaments de les tecnologies quàntiques—comunicació, computació, simulació i sensors—i de dues àrees transversals: teoria i programari quàntic, i control quàntic.

El full de ruta ha servit com una guia valuosa per al desenvolupament de tecnologies quàntiques. Set anys després, malgrat alguns desafiaments persistents, els avenços en comunicació, computació, simulació i sensors quàntics han estat realment notables. Així mateix, un segle després del naixement de la física quàntica, tecnologies que Heisenberg i Schrödinger no haurien pogut imaginar estan a punt d’impulsar innovacions profundes, amb la capacitat de transformar tant la recerca fonamental com les seves aplicacions en el món real en els pròxims anys.

Referències:

Oriol Romero-Isart et al 2010 New J. Phys. 12 033015. DOI 10.1088/1367-2630/12/3/033015

Antonio Acín et al 2018 New J. Phys. 20 080201. DOI 10.1088/1367-2630/aad1ea

Collection of NJP: https://iopscience.iop.org/journal/1367-2630/page/internation-year-of-quantum-sci-technol-2025