Abriendo nuevas posibilidades para sensores cuánticos, relojes atómicos y pruebas de física fundamental, los investigadores de JILA han desarrollado nuevas formas de «entrelazar» o interconectar las propiedades de un gran número de partículas. En el proceso, han ideado formas de medir grandes grupos de átomos con mayor precisión incluso en entornos perturbadores y ruidosos.
Relojes atómicos de mayor precisión, como el «reloj de pinzas» que se muestra aquí, podrían resultar de unir o «entrelazar» átomos de una nueva manera mediante un método conocido como «apretón de giro», en el que una propiedad de un átomo se mide con mayor precisión que la otra. Generalmente se permite en mecánica cuántica disminuyendo la precisión con la que se mide una propiedad complementaria. Crédito de la imagen: S. Burrows/JILA
Las nuevas técnicas se describen en un par de artículos publicados en Naturaleza. JILA es un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.
«El entrelazamiento es el santo grial de la ciencia de la medición», dijo Ana María Rey, física teórica y miembro de JILA y NIST.
“Los átomos son los mejores sensores que existen. Son universales. El problema es que son objetos cuánticos, por lo que son intrínsecamente ruidosos. Cuando los mides, a veces están en un estado de energía, a veces en otro estado. Cuando los enredas, puedes lograr cancelar el ruido”.
Cuando los átomos están entrelazados, lo que le sucede a un átomo afecta a todos los átomos entrelazados con él. Tener docenas (mejor aún, cientos) de átomos entrelazados trabajando juntos reduce el ruido y la señal de la medición se vuelve más clara y segura. Los átomos entrelazados también reducen la cantidad de veces que los científicos necesitan realizar sus mediciones, obteniendo resultados en menos tiempo.
Spintrónica – concepto artístico. Crédito de la imagen: Creatividad103 vía FlickrCC POR 2.0
Una forma de entrelazamiento es mediante un proceso llamado compresión de espín. Como todos los objetos que obedecen las reglas de la física cuántica, los átomos pueden existir en múltiples estados de energía a la vez, una habilidad conocida como superposición. La compresión del espín reduce todos esos posibles estados de superposición en un átomo a unas pocas posibilidades. Es como apretar un globo.
Cuando aprietas el globo, el centro se encoge y los extremos opuestos se hacen más grandes. Cuando los átomos sufren compresión por espín, el rango de posibles estados en los que pueden encontrarse se estrecha en algunas direcciones y se expande en otras.
Pero es más difícil entrelazar átomos que están más alejados unos de otros. Los átomos tienen interacciones más fuertes con los átomos más cercanos a ellos; cuanto más lejos están los átomos, más débiles son sus interacciones.
Física cuántica, mar de excitones – interpretación artística. Crédito de la imagen: Sigmund a través de Unsplash, licencia gratuita.
Piense en ello como si la gente hablara en una fiesta llena de gente. Las personas más cercanas entre sí pueden mantener una conversación, pero los que están al otro lado de la habitación apenas pueden oírlas y la información se pierde en el futuro. Los científicos quieren que todo el grupo de átomos hable entre sí al mismo tiempo. Los físicos de todo el mundo están buscando diferentes formas de lograr ese entrelazamiento.
«Un objetivo importante de la comunidad es producir estados entrelazados para obtener mediciones de mayor precisión en un período de tiempo más corto», dijo Adam Kaufman, físico y miembro de JILA.
Kaufman y Rey trabajaron juntos en propuestas para lograr ese entrelazamiento, una de las cuales Rey y sus colaboradores de la Universidad de Innsbruck en Austria se manifestaron.
En este experimento, el equipo alineó 51 iones de calcio en una trampa y utilizó láseres para inducir interacciones entre ellos. Esto se debe a que el láser excita fonones, vibraciones parecidas a ondas sonoras entre los átomos.
Esos fonones se propagan a lo largo de la línea de átomos, uniéndolos. En experimentos anteriores, estos enlaces fueron diseñados para ser estáticos, de modo que un ión solo pudiera comunicarse con un conjunto específico de iones cuando los láseres lo iluminaran.
Estados cuánticos, física cuántica – interpretación artística. Crédito de la imagen: Ben Wicks a través de Unsplash, licencia gratuita.
Al agregar campos magnéticos externos, fue posible hacer que los enlaces fueran dinámicos, creciendo y cambiando con el tiempo. Eso significaba que un ion que podía hablar sólo con un grupo de iones al principio podía hablar con un grupo diferente y, finalmente, podía hablar con todos los demás iones de la matriz.
Esto supera el problema de la distancia, dice Rey, y las interacciones fueron fuertes en toda la línea de átomos. Ahora todos los átomos trabajaban juntos y podían comunicarse entre sí sin perder el mensaje en el camino.
En un corto período de tiempo, los iones se entrelazaron, formando un estado de espín exprimido, pero con un poco más de tiempo, se transformaron en lo que se llama un estado de gato. Este estado lleva el nombre del famoso experimento mental de Erwin Schrodinger sobre la superposición, en el que propuso que un El gato atrapado en una caja está vivo y muerto. hasta que se abra la caja y se pueda observar su estado.
Para los átomos, un estado de gato es un tipo especial de superposición en el que los átomos están en dos estados diametralmente opuestos, como arriba y abajo, al mismo tiempo. Los estados de los gatos están muy entrelazados, señala Rey, lo que los hace especialmente excelentes para la ciencia de la medición.
El siguiente paso será probar esta técnica con una matriz bidimensional de átomos, aumentando el número de átomos para mejorar el tiempo que pueden permanecer en estos estados entrelazados. Además, podría permitir a los científicos realizar mediciones con mayor precisión y rapidez.
El entrelazamiento por compresión del espín también podría beneficiar a los relojes atómicos ópticos, que son una importante herramienta científica de medición. Kaufman y su grupo en JILA, junto con colaboradores del grupo de su colega Jun Ye del NIST/JILA, probaron un método diferente en Otro estudio en este número de Naturaleza.
Los investigadores cargaron 140 átomos de estroncio en una red óptica, un único plano de luz para contener los átomos. Utilizaron haces de luz finamente controlados, llamados pinzas ópticas, para colocar los átomos en pequeños subgrupos de 16 a 70 átomos cada uno.
Con un láser ultravioleta de alta potencia, excitaron los átomos hasta una superposición de su estado habitual de «reloj» y un estado de Rydberg de mayor energía. Esta técnica se llama apósito Rydberg.
Los átomos del estado del reloj son como la gente tranquila en una fiesta multitudinaria; No interactúan fuertemente con los demás. Pero para los átomos en el estado de Rydberg, el electrón más externo está tan lejos del centro del átomo que el átomo es efectivamente de tamaño muy grande, lo que le permite interactuar más fuertemente con los otros átomos.
Ahora todo el partido está hablando. Con esta técnica de compresión de espín, pueden crear entrelazamientos en toda la matriz de 70 átomos.
Los investigadores compararon mediciones de frecuencia entre grupos de 70 átomos y descubrieron que este entrelazamiento mejoraba la precisión por debajo del límite para partículas no entrelazadas, conocido como límite cuántico estándar.
Mediciones más rápidas y precisas permitirán que estos relojes sean mejores sensores para buscar materia oscura y producir mejores mediciones de tiempo y frecuencia.
Documentos:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana María Rey, Manoj K. Joshi y Christian F. Roos. Detección mejorada cuántica de transiciones ópticas a través de interacciones de rango finito. Naturaleza. 30 de agosto de 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z
William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Aaron W. Young, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye y Adam M. Kaufman. Realización de compresión de giro con interacciones de Rydberg en un reloj óptico. Naturaleza. 30 de agosto de 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
Fuente: NIST
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Publicado anteriormente en The European Times.
