Nuevas técnicas de compresión de espín permiten que los átomos trabajen juntos para obtener mejores mediciones cuánticas

Al abrir nuevas posibilidades para sensores cuánticos, relojes atómicos y probar la 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, desarrollaron formas de medir grandes grupos de átomos con mayor precisión, incluso en entornos ruidosos y perturbadores.

Las nuevas técnicas se describen en dos 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 becaria 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 Si los junta, puede 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 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.

Una forma de entrelazamiento es 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 al mismo tiempo, una habilidad conocida como superposición.

La compresión de espín reduce todos los 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 se comprimen 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 separados. Los átomos tienen interacciones más fuertes con los átomos más cercanos a ellos; cuanto más separados estén los átomos, más débiles serán sus interacciones.

Piense en ello como si la gente hablara en una fiesta llena de gente. Las personas más cercanas entre sí pueden hablar, pero las del otro lado de la habitación apenas pueden oírlas y la información se pierde en la línea. Los científicos quieren que todo el grupo de átomos se comunique entre sí al mismo tiempo. Los físicos de todo el mundo están buscando diferentes formas de lograr este entrelazamiento.

«Uno de los principales objetivos de la comunidad es producir estados entrelazados para obtener mediciones de mayor precisión en menos tiempo», dijo Adam Kaufman, físico y miembro de JILA.

Kaufman y Rey trabajaron juntos en propuestas para lograr este enredo, una de las cuales Rey y sus colaboradores demostraron en la Universidad de Innsbruck en Austria.

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 como ondas sonoras entre átomos. Estos fonones se extienden a lo largo de la línea de átomos, uniéndolos. En experimentos anteriores, estos enlaces fueron diseñados para ser estáticos, de modo que un ion solo pudiera comunicarse con un conjunto específico de iones cuando los láseres lo iluminaran.

Al agregar campos magnéticos externos, fue posible hacer que los enlaces fueran dinámicos, creciendo y cambiando con el tiempo. Esto significaba que un ion que podía comunicarse con un solo grupo de iones podría comunicarse inicialmente con un grupo diferente y eventualmente podría comunicarse con todos los demás iones de la matriz. Esto soluciona el problema de la distancia, dice Rey, y las interacciones fueron fuertes a lo largo de la línea del átomo. Ahora todos los átomos estaban trabajando juntos y todos podían hablar entre sí sin perder el mensaje en el camino.

Al poco tiempo, los iones se entrelazaron, formando un estado de espín comprimido, pero con un poco más de tiempo, se transformaron en lo que se llama estado de gato. Este estado lleva el nombre del famoso experimento mental de superposición de Erwin Schrodinger, en el que propuso que un gato atrapado en una caja está vivo y muerto hasta que se abre la caja y se puede 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 cuánto tiempo pueden permanecer en estos estados entrelazados. Además, podría permitir a los científicos realizar mediciones con mayor precisión y rapidez.

El entrelazamiento de espines también puede beneficiar a los relojes atómicos ópticos, que son una importante herramienta de medición científica. Kaufman y su grupo en JILA, junto con colaboradores del grupo de Jun Ye, colega de NIST/JILA, probaron un método diferente en otro estudio publicado en esta edición 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 cuidadosamente 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 de Rydberg.

Los átomos del estado del reloj son como la gente tranquila en una fiesta llena de gente; 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 en realidad de tamaño muy grande, lo que le permite interactuar más fuertemente con otros átomos.

Ahora todo el grupo 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.