Los científicos han logrado combinar dos de las características más aterradoras de la mecánica cuántica
Para crear un sensor cuántico más eficiente, un equipo de investigadores de JILA ha fusionado, por primera vez, dos de los aspectos más «aterradores» de la mecánica cuántica: el entrelazamiento entre los átomos y la deslocalización de los átomos.
El enredo es el extraño efecto de Mecánica cuántica en el que lo que le sucede a un átomo de alguna manera influye en otro átomo en otro lugar. Un segundo aspecto bastante aterrador de la mecánica cuántica es la deslocalización, el hecho de que un solo átomo pueda estar en varios lugares simultáneamente.
En este estudio, los investigadores combinaron el carácter aterrador de los dos enredo y deslocalización para crear un interferómetro de ondas de materia capaz de detectar aceleraciones con una precisión que supera el límite cuántico estándar. Viniendo sensores cuánticos podrá proporcionar una navegación más precisa, buscar los recursos naturales necesarios, determinar con mayor precisión las constantes fundamentales, como la estructura fina y las constantes gravitacionales, buscar materia negra con mayor precisión, y tal vez incluso detectar ondas gravitacionales un día aumentando la piel de gallina.
Los investigadores utilizaron luz que rebota entre espejos, llamada cavidad óptica, para el enredo. Esto permitió que la información saltara entre los átomos y los uniera en un estado entrelazado. Usando esta técnica especial basada en la luz, produjeron y observaron algunos de los estados más 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 han utilizado en su trabajo reciente.
En el primer método, también conocido como medición cuántica sin demolición, primero miden el ruido cuántico unido a sus átomos y luego eliminan esa medición de la ecuación. los ruido cuántico de cada átomo se correlaciona con el ruido cuántico de todos los demás átomos mediante un proceso conocido como torsión en 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 un poco como los niños que se encierran en silencio para escuchar sobre la fiesta que les ha prometido el maestro, pero aquí es el enredo el que hace el silencio».
interferómetro de onda de materia
El interferómetro Matter-wave es uno de los sensores cuánticos más exactos y precisos hasta la fecha.
El estudiante graduado Chengyi Luo explicó: «La idea es que uno usa pulsos de luz para hacer que los átomos se muevan simultáneamente y no se muevan habiendo absorbido y no absorbido láser luz. Esto hace que los átomos a lo largo del tiempo estén simultáneamente en dos lugares diferentes a la vez.
«Abrimos rayos láser sobre los átomos, por lo que dividimos el paquete de ondas cuánticas de cada átomo por la mitad, en otras palabras, la partícula existe simultáneamente en dos espacios separados».
Los pulsos posteriores de luz láser invierten el proceso, acercando los paquetes de ondas cuánticas, lo que permite detectar cualquier cambio en el entorno, como aceleraciones o rotaciones, mediante una interferencia medible entre los dos componentes del paquete de ondas cuánticas. Un poco como se hace con los campos de luz en los interferómetros clásicos, pero aquí con ondas de De Broglie, u ondas hechas de materia.
El equipo de investigación descubrió cómo hacer que esto funcione dentro de una cavidad óptica con espejos altamente reflectantes. Pudieron medir la distancia que los átomos viajaron a lo largo de la cavidad orientada verticalmente debido a la gravedad en una versión cuántica del experimento de gravedad de Galileo, dejando caer objetos desde la Torre Inclinada de Pisa, pero con todas las ventajas de precisión y exactitud que ofrece la mecánica cuántica.
El grupo de estudiantes graduados liderado por Chengyi Luo y Graham Greve pudieron usar la maraña creada por el interacciones luz-materia crear un interferómetro de onda de materia dentro de una cavidad óptica para detectar la aceleración debida a la gravedad de manera más silenciosa y precisa. Esta es la primera vez que se observa un interferómetro de ondas de materia con un nivel de precisión que supera el límite cuántico típico impuesto por el ruido cuántico de los átomos no entrelazados.
thompson ha dicho, “Con una precisión mejorada, investigadores como Luo y Thompson ven muchos beneficios futuros al usar el entrelazamiento como recurso en sensores cuánticos. Creo que algún día podremos introducir el entrelazamiento en los interferómetros de ondas de materia para detectar ondas gravitacionales en el espacio o para búsquedas de materia oscura, cosas que prueben la física fundamental, así como dispositivos que puedan usarse para aplicaciones cotidianas como la navegación o la geodesia.
“Con este avance experimental trascendental, Thompson y su equipo esperan que otros utilicen este nuevo enfoque de interferómetro entrelazado para conducir a nuevos avances en la física. Al aprender a aprovechar y controlar todos los elementos aterradores que ya conocemos, ¡podremos descubrir nuevas cosas aterradoras sobre el universo en las que ni siquiera hemos pensado todavía!
Referencia de la revista:
- Graham P. Greve et al., Interferometría de ondas de materia mejorada con entrelazamiento de cavidades de gran delicadeza, La naturaleza (2022). YO: 10.1038/s41586-022-05197-9
