Los científicos combinaron con éxito dos de las características más espeluznantes de la mecánica cuántica

Para crear un sensor cuántico más eficaz, un equipo de investigadores de JILA ha fusionado, por primera vez, dos de los aspectos más "espeluznantes" de la mecánica cuántica: el entrelazamiento entre átomos y la deslocalización de átomos.

El entrelazamiento es el extraño efecto de mecánica cuántica en el que lo que le sucede a un átomo influye de alguna manera en otro átomo en algún otro lugar. Un segundo aspecto bastante espeluznante de la mecánica cuántica es la deslocalización, el hecho de que un único átomo puede estar simultáneamente en más de un lugar.

En este estudio, los investigadores combinaron el terror de ambos enredo y deslocalización para crear un interferómetro de materia-onda que pueda detectar aceleraciones con una precisión que supere el límite cuántico estándar. Futuro sensores cuánticos podrá proporcionar una navegación más precisa, buscar los recursos naturales necesarios, determinar con mayor precisión constantes fundamentales como la estructura fina y las constantes gravitacionales, buscar la materia oscura más precisamente, y tal vez incluso detectar ondas gravitacionales un día aumentando el miedo.

Los investigadores utilizaron la luz que rebotaba entre espejos, llamada cavidad óptica, para entrelazarse. Esto permitió que la información saltara entre los átomos y los uniera en un estado entrelazado. Utilizando esta técnica especial basada en la luz, han producido y observado algunos de los estados más densamente entrelazados jamás generados en cualquier sistema, ya sea atómico, fotónico o de estado sólido. Utilizando esta técnica, el grupo diseñó dos enfoques experimentales distintos, que utilizaron en su trabajo reciente.

En el primer método, también conocido como medición cuántica sin demolición, miden previamente el ruido cuántico vinculado a sus átomos y luego eliminan esa medida de la ecuación. El ruido cuántico de cada átomo se correlaciona con el ruido cuántico de todos los demás átomos mediante un proceso conocido como torsión de un eje en el segundo método, donde se inyecta luz en la cavidad. Esto permite que los átomos trabajen juntos para volverse más silenciosos.

James K. Thompson, miembro de JILA y NIST, dijo: "Los átomos son como niños que se hacen callar unos a otros para que se callen y así poder oír acerca de la fiesta que el maestro les ha prometido, pero aquí es el enredo el que hace que se callen".

Interferómetro de onda de materia

El interferómetro de materia-onda es uno de los sensores cuánticos más precisos y exactos de la actualidad.

El estudiante de posgrado Chengyi Luo explicó: “La idea es que uno usa pulsos de luz para hacer que los átomos se muevan simultáneamente y no se muevan al haberlos absorbido y no absorbido. láser luz. Esto hace que, con el tiempo, los átomos estén simultáneamente en dos lugares diferentes a la vez”.

"Iluminamos los átomos con rayos láser, por lo que dividimos el paquete de ondas cuánticas de cada átomo en dos; en otras palabras, la partícula existe en dos espacios separados simultáneamente".

Pulsos posteriores de luz láser invierten el proceso, uniendo nuevamente los paquetes de ondas cuánticas, permitiendo detectar cualquier cambio en el entorno, como aceleraciones o rotaciones, mediante una interferencia considerablemente grande entre los dos componentes del paquete de ondas atómicas, muy similar a se hace con campos de luz en interferómetros convencionales, pero aquí con ondas de Broglie, u ondas hechas de materia.

El equipo de investigación determinó cómo hacer que esto funcione dentro de una cavidad óptica con espejos altamente reflectantes. Pudieron medir hasta qué punto cayeron los átomos a lo largo de la cavidad orientada verticalmente debido a gravedad en una versión cuántica del experimento de gravedad de Galileo que arroja objetos desde la Torre Inclinada de Pisa, pero con todos los beneficios de precisión y exactitud que brinda la mecánica cuántica.

El grupo de estudiantes de posgrado liderados por Chengyi Luo y Graham Greve pudieron utilizar el entrelazamiento creado por el interacciones luz-materia crear un interferómetro de onda de materia dentro de una cavidad óptica para detectar la aceleración de la gravedad de forma más silenciosa y precisa. Este es el primer caso en el que se ha observado un interferómetro de materia-onda con un nivel de precisión que excede el límite cuántico típico impuesto por el ruido cuántico de átomos no entrelazados.

Thompson dijo, “Gracias a la precisión mejorada, investigadores como Luo y Thompson ven muchos beneficios futuros al utilizar el entrelazamiento como recurso en sensores cuánticos. Creo que algún día seremos capaces de introducir el entrelazamiento en interferómetros de ondas de materia para detectar ondas gravitacionales en el espacio o para búsquedas de materia oscura, cosas que sondeen la física fundamental, así como dispositivos que puedan usarse para aplicaciones cotidianas como la navegación o geodesia."

“Con este trascendental avance experimental, Thompson y su equipo esperan que otros utilicen este nuevo enfoque de interferómetro entrelazado para conducir a otros avances en el campo de la física. ¡Al aprender a aprovechar y controlar todo lo espeluznante que ya conocemos, tal vez podamos descubrir nuevas cosas espeluznantes sobre el universo en las que ni siquiera hemos pensado todavía!

Referencia de la revista:

1. Graham P. Greve et al., Interferometría de onda de materia mejorada por entrelazamiento en una cavidad de alta delicadeza, Naturaleza (2022). DUELE: 10.1038/s41586-022-05197-9