Levitación cuántica a temperatura ambiente: físicos consiguen el primer sistema mecánico en estado cuántico puro sin criogenia
Un racimo de nanopartículas suspendidas por luz ha alcanzado el estado cuántico más puro jamás logrado sin recurrir al frío extremo. El hallazgo redefine los límites de la física cuántica y abre paso a sensores y tecnologías más accesibles.
Por Enrique Coperías
Investigadores de la ETH Zurich han logrado atrapar un nanoobjeto (centro de la imagen) utilizando una trampa láser. La luz láser, que se enfoca con una lente, se muestra en rojo. Crédito: Lorenzo Dania / ETH Zurich
Imagínate tres esferas de vidrio tan diminutas que, superpuestas una sobre otra, como una torre de helado en miniatura, tienen un tamaño diez veces menor que el grosor de un cabello humano. Estas nanoesferas, apenas perceptibles incluso con microscopios de alta resolución, han sido las protagonistas de una proeza científica que promete marcar un antes y un después en el desarrollo de tecnologías cuánticas accesibles.
Un equipo de físicos del ETH Zurich, en Suiza, liderado por el profesor Martin Frimmer, ha conseguido hacer levitar un conjunto de nanopartículas en el vacío utilizando solo haces de luz láser. Lo más sorprendente es que lograron enfriar su movimiento hasta el estado cuántico fundamental —el estado de energía más bajo posible que puede tener un sistema cuántico—, alcanzando una pureza del 92%, y todo ello sin necesidad de enfriamiento criogénico.
Hay que decir que un sistema cuántico puede estar en:
✅ Un estado puro: totalmente definido, sin incertidumbre externa. Ideal para experimentar efectos cuánticos como superposición o entrelazamiento.
✅ Un estado mixto: es una mezcla de estados posibles, donde parte del comportamiento se debe a influencias clásicas (como el ruido térmico).
El grado de pureza se expresa en un valor entre 0 y 1, o entre 0% (no hay rastro de comportamiento cuántico útil) y 100% (el sistema está en un estado cuántico completamente puro).
En el mundo cuántico nada está en reposo total
Los resultados de este espectacular experimento, publicados en la prestigiosa revista Nature Physics, constituyen un hito mundial en la disciplina de la optomecánica, y supera en rendimiento a muchos sistemas que operan a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 ºC). Recordemos que la optomecánica es el campo de la física que estudia cómo la luz (óptica) y el movimiento de objetos físicos (mecánica) pueden influenciarse mutuamente.
En nuestra experiencia cotidiana, entendemos que los objetos pueden estar quietos, en absoluto reposo. Pero en el universo cuántico, la inmovilidad absoluta no existe. Todo objeto, por más pequeño o grande que sea, está sometido a lo que se conoce como fluctuaciones del punto cero, un vaivén microscópico que la mecánica cuántica predice como inevitable.
Esta vibración mínima persiste incluso cuando toda fuente externa de movimiento ha sido eliminada. «Según los principios de la mecánica cuántica, ningún objeto puede permanecer perfectamente inmóvil», explica Lorenzo Dania, primer autor del estudio y posdoctorando en el grupo de Frimmer.
Una estrategia simple, limpia y elegante
En este experimento, las partículas —unidas en un pequeño racimo— exhiben un movimiento angular sutil y ultrarrápido, similar al temblor de la aguja de brújula al estabilizarse. Esta libración, como se denomina al tipo de oscilación rotacional que estudiaron, ocurre a razón de un millón de veces por segundo, pero con una amplitud de apenas unas milésimas de grado.
Detectar y controlar esta dinámica en objetos que contienen cientos de millones de átomos es todo un desafío, ya que estos movimientos cuánticos son normalmente eclipsados por el ruido térmico y mecánico de origen clásico.
Hasta ahora, los estados de alta pureza cuántica se habían logrado únicamente bajo condiciones extremas: cámaras criogénicas, frecuencias mecánicas ultraaltas y sofisticados sistemas de acoplamiento electromagnético. El equipo de la ETH Zurich ha superado esos límites con una estrategia más simple, más limpia… y más elegante.
Experimento pionero: levitación óptica sin frío extremo
«Antes del experimento, no esperábamos alcanzar un nivel tan alto de pureza cuántica», confiesa Dania. El equipo consiguió atribuir el 92% del movimiento de la partícula a efectos puramente cuánticos. El otro 8% proviene de fuentes clásicas, como ruido térmico y fluctuaciones del láser, que fueron cuidadosamente minimizadas mediante técnicas de ingeniería óptica y control activo del sistema.
Más aún: todo esto se logró a temperatura ambiente, es decir, entre los 20 ºC y los 25 °C. En otras palabras, el experimento no necesitó ser congelado para acceder a los dominios cuánticos, lo que representa un ahorro gigantesco en costes, espacio, energía y complejidad técnica. El profesor Frimmer lo resume con una metáfora precisa:
«Es como haber construido un nuevo vehículo que transporta más carga que los camiones tradicionales y, al mismo tiempo, consume menos combustible».
«Según los principios de la mecánica cuántica, ningún objeto puede permanecer perfectamente inmóvil. Lo increíble es que hemos podido observar esas fluctuaciones en un sistema relativamente grande», dice Lorenzo Dania —arriba—.
Cómo funciona: dispersión coherente y control de ruido
¿Cómo se logró semejante control? A través de un sistema conocido como pinza óptica, que utiliza un haz láser intensamente enfocado para atrapar objetos microscópicos. En este caso, la pinza mantuvo suspendido el racimo de nanoesferas dentro de una cámara de vacío ultrabajo, sin contacto físico con ningún material.
Una cavidad óptica de alta calidad, posicionada estratégicamente, permitió enfriar el modo de libración de la partícula a través de lo que se conoce como dispersión coherente. Esta técnica permite que parte de la luz que interactúa con la nanopartícula se lleve consigo una pequeña cantidad de su energía mecánica. Al hacerlo, la partícula pierde movimiento —es decir, se enfría—, todo sin necesidad de tocarla ni de usar sistemas de refrigeración tradicionales.
Una parte fundamental del éxito del experimento fue el control del ruido de fase del láser, una fluctuación que puede calentar el sistema si no se mitiga adecuadamente. Para ello, el equipo desarrolló un sistema de retroalimentación activa —apodado noise eater— que reduce este ruido hasta 20 decibelios, lo suficiente como para que la dinámica cuántica prevalezca.
Un sistema cuántico a escala intermedia
Lo más sorprendente del ensayo no es solo el resultado, sino el objeto en sí. Aunque las nanopartículas son diminutas desde el punto de vista macroscópico, contienen cientos de millones de átomos. Desde la perspectiva de la física cuántica, eso las convierte en gigantes.
«Muchos experimentos cuánticos se realizan con átomos individuales o pequeños grupos de ellos. Aquí, estamos viendo efectos cuánticos en un objeto considerablemente más grande», explica Frimmer.
Este enfoque tiene una motivación clara: para que la tecnología cuántica se vuelva útil fuera del laboratorio, debe trabajar con sistemas más grandes, robustos y versátiles. Este experimento demuestra que es posible controlar objetos mesoscópicos de forma cuántica, sin tener que miniaturizar todo a escala atómica.
Camino abierto hacia sensores, navegación y más
Pero ¿qué utilidad podría tener un racimo de nanoesferas levitando en una cámara de vacío? Muchísima. El experimento representa un punto de partida ideal para el desarrollo de sensores cuánticos ultrasensibles capaces de medir fuerzas diminutas, como las interacciones de moléculas de gas e incluso partículas elementales. Esto podría resultar crucial, por ejemplo, en la búsqueda de materia oscura, uno de los grandes enigmas de la física actual.
A largo plazo, las aplicaciones podrían extenderse a áreas más prácticas, como la navegación autónoma sin GPS y las imágenes médicas cuánticas, donde los sensores podrían detectar señales débiles incluso en entornos ruidosos, algo que los equipos convencionales no logran.
Frimmer señala que su sistema es particularmente prometedor para estas aplicaciones: «Ahora tenemos un sistema relativamente simple, económico y perfectamente adecuado para estos propósitos». Además, según los autores, es factible miniaturizar el sistema aún más, facilitando su integración en tecnologías portátiles o industriales.
Hacia nuevas fronteras de la cuántica
Pero el futuro no se limita a sensores. Gracias a su altísima pureza cuántica, este sistema podría ser la base para experimentar con estados cuánticos no clásicos, como el squeezing (compresión cuántica), las superposiciones rotacionales e incluso fenómenos exóticos como los revivals cuánticos de orientación y los llamados efectos raqueta de tenis —fluctuaciones peculiares que ocurren cuando se manipulan partículas rotantes en el régimen cuántico—.
El equipo también sugiere que estos levitadores cuánticos podrían acoplarse a iones atrapados o cúbits superconductores, lo que permitiría construir plataformas híbridas cuánticas con mayor capacidad de control y funcionalidad.
Por último, los investigadores destacan que han sentado las bases para enfriar no solo un modo de movimiento, sino los seis grados de libertad de un objeto levitado: tres de traslación y tres de rotación. Esto abriría paso a una manipulación cuántica completa en 3D, algo que hace apenas una década era ciencia ficción.
Cuando la luz reemplaza al frío
El experimento del ETH Zurich marca un antes y un después. Ha demostrado que es posible alcanzar la pureza cuántica con herramientas ópticas y precisión técnica, pero sin la necesidad de congelar el sistema. La implicancia es profunda: una cuántica más accesible, económica y escalable, al alcance de más laboratorios y, eventualmente, de aplicaciones industriales y tecnológicas.
Como señala Frimme, «lo que hemos logrado es el punto de partida perfecto para investigaciones futuras que, algún día, podrían convertirse en aplicaciones reales».
En un mundo que apuesta cada vez más a la tecnología cuántica, este logro muestra que, a veces, la luz —no el frío— es la llave para desbloquear los secretos del universo.▪️
Información facilitada por la ETH Zurich
Fuente: Dania, L., Kremer, O. S., Piotrowski, J. et al. High-purity quantum optomechanics at room temperature. Nature Physics. (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-025-02976-9
