Los físicos en los EE. UU. Y Serbia han creado un estado cuántico enredado de casi 3000 átomos ultrafríos utilizando solo un fotón. Este es el mayor número de átomos que se haya enredado en el laboratorio, y los investigadores dicen que la técnica podría usarse para aumentar la precisión de los relojes atómicos.
El entrelazamiento es un fenómeno puramente mecánico cuántico que permite que dos o más partículas tengan una relación mucho más estrecha que la permitida por la física clásica. Una propiedad de las partículas enredadas es que pueden ser muy sensibles a los estímulos externos, como la gravedad o la luz, y, por lo tanto, podrían usarse para crear “sensores cuánticos” y relojes precisos.
Hasta este último experimento de Vladan Vuletić y sus colegas del Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Belgrado, los físicos habían logrado enredar unos 100 átomos en un conjunto de átomos mucho más grande. Ahora, el equipo de Vuletić ha logrado enredar casi el 94% de los átomos en su conjunto de 3100 átomos.
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El experimento involucra una cavidad óptica, dos espejos imperfectos opuestos, que contiene alrededor de 3100 átomos de rubidio-87 que se enfrían a una temperatura cercana al cero absoluto. Se ilumina la luz en un lado de la cavidad y se deja que rebote entre los espejos. Parte de la luz eventualmente escapará a través del lado opuesto de la cavidad, donde es capturada por un detector. Se aplica un campo magnético a los átomos, lo que hace que alineen sus espines a lo largo de la cavidad. Sin embargo, la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica significa que los espines no están todos alineados y sus direcciones fluctuarán alrededor del campo magnético.
Experimento preliminar
Estas fluctuaciones se midieron en un experimento preliminar que implica disparar un pulso de luz polarizada en la cavidad. El pulso interactúa con los espines atómicos y emerge de la cavidad con un pequeño cambio o rotación de su polarización. Esta rotación es una medida de la dirección del giro atómico total del gas en relación con la dirección del campo magnético. Al realizar esta medición muchas veces, el equipo demostró que el giro atómico total en la cavidad tiene una distribución gaussiana que es un disco centrado en la dirección del campo magnético aplicado.
Esta representación del giro total se llama “función de Wigner” e ilustra cómo la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica causa fluctuaciones en la dirección del giro total. Sin embargo, el hecho de que la función sea gaussiana significa que los espines atómicos se comportan independientemente uno del otro y no están enredados. Por lo tanto, el desafío para los investigadores fue preparar los átomos de tal manera que la función de Wigner se vuelva no gaussiana, lo que es una fuerte evidencia de enredo.
Para hacer esto, dispararon un pulso láser polarizado extremadamente débil en la cavidad. Ocasionalmente, solo un fotón en el pulso rebotará de un lado a otro en la cavidad e interactuará con casi todos los espines atómicos. Esta sucesión de interacciones es lo que enreda los átomos.
Anunciando enredos
Este fotón puede salir de la cavidad y ser detectado. Tales fotones entrelazados son identificables porque sus polarizaciones han sido rotadas 90 ° por las interacciones atómicas. Entonces, cada vez que se detectaba un fotón “heraldo” de este tipo, los físicos midieron inmediatamente la dirección del giro atómico total. Repitieron este proceso muchas veces para determinar la función de Wigner de los átomos enredados. En lugar de un disco gaussiano, la distribución se parecía a un anillo de probabilidad positiva que rodeaba una región interna de probabilidad negativa.
Según Vuletić, este agujero de probabilidad negativa es el sello distintivo del enredo. Además, los investigadores pudieron calcular que el enredo involucraba aproximadamente 2910 de los 3100 átomos. En este experimento, los giros atómicos se enredaron en dos estados que se encuentran en lados opuestos del agujero de probabilidad negativa.
Vuletić dice que la investigación tiene importantes aplicaciones prácticas porque la función de Wigner es esencialmente una medida de la incertidumbre en una medición cuántica. Al enredar un gran número de átomos y efectivamente “perforar un agujero” en el centro de la función Wigner, se puede mejorar la precisión de una medición cuántica. Le dijo a la página de inicio de physicsworld.com que su equipo ahora está utilizando la técnica de entrelazamiento para crear un reloj atómico más preciso.
El experimento se describe en Nature .
Fuente: página de inicio de physicsworld.com
