El equipo de NIST lidera y mide el dúo de tambores cuánticos

Como los conductores de una sinfonía espeluznante, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) «enredaron» dos pequeños tambores mecánicos y midieron con precisión sus propiedades cuánticas relacionadas. Los pares entrelazados como este podrían algún día realizar cálculos y transmitir datos en redes cuánticas a gran escala.

El equipo del NIST usó pulsos de microondas para atraer los dos diminutos tambores de aluminio a una versión cuántica de Lindy Hop, con un compañero saltando en un patrón frío y tranquilo mientras el otro temblaba un poco más. Los investigadores analizaron señales similares a un radar para verificar que los pasos de los dos tambores formaran un patrón entrelazado, un dúo que sería imposible en el mundo clásico cotidiano.

Lo nuevo no es tanto la danza en sí, sino la capacidad de los investigadores para medir los golpes de tambor, subiendo y bajando sólo una cuadrillonésima parte de un metro, y para verificar su frágil enredo detectando sutiles relaciones estadísticas entre sus movimientos.

La investigación se describe en el Número del 7 de mayo La ciencia.

«Si analizas de forma independiente los datos de posición e impulso de los dos tambores, cada uno de ellos se ve atractivo», dijo el físico del NIST John Teufel. «Pero mirándolos juntos, podemos ver que lo que parece un movimiento aleatorio de un tambor se correlaciona fuertemente con el otro, de una manera que solo es posible a través del entrelazamiento cuántico».

La mecánica cuántica se concibió originalmente como el libro de reglas para la luz y la materia a escala atómica. Sin embargo, en los últimos años, los investigadores han demostrado que las mismas reglas se pueden aplicar a objetos cada vez más grandes como los tambores. Su movimiento de ida y vuelta los convierte en un tipo de sistema conocido como oscilador mecánico. Estos sistemas fueron enredado por primera vez en el NIST hace unos diez años, y en este caso, los elementos mecánicos eran átomos individuales.

Desde entonces, el grupo de investigación de Teufel ha demostrado el control cuántico de las membranas de aluminio en forma de tambor suspendidas sobre esteras de zafiro. Según los estándares cuánticos, los tambores del NIST son enormes, de 20 micrómetros de ancho por 14 micrómetros de largo y 100 nanómetros de espesor. Cada uno pesa alrededor de 70 picogramos, que es alrededor de 1 billón de átomos.

El entrelazamiento de objetos masivos es difícil porque interactúan fuertemente con el medio ambiente, lo que puede destruir delicados estados cuánticos. El grupo de Teufel desarrolló nuevos métodos para controlar y medir el movimiento de dos tambores simultáneamente. Los investigadores adaptaron un técnica demostrada por primera vez en 2011 para enfriar un solo tambor de señales de microondas fijas a pulsadas para optimizar por separado los pasos de enfriamiento, entrelazamiento y medición de estado. Para analizar rigurosamente el entrelazamiento, los experimentadores también trabajaron más de cerca con los teóricos, una alianza cada vez más importante en el esfuerzo global para construir redes cuánticas.

El conjunto de la batería NIST está conectado a un circuito eléctrico y encerrado en una cavidad criogénica. Cuando se aplica un pulso de microondas, el sistema eléctrico interactúa y controla las actividades de los tambores, que pueden mantener estados cuánticos como entrelazamiento durante aproximadamente un milisegundo, durante mucho tiempo en el mundo cuántico.

Para los experimentos, los investigadores aplicaron dos pulsos de microondas simultáneos para enfriar los tambores, dos pulsos simultáneos más para entrelazar los tambores y dos pulsos finales para amplificar y registrar las señales que representan los estados cuánticos de los dos tambores. Los estados están codificados en un campo de microondas reflejado, similar al radar. Los investigadores compararon los reflejos con el pulso de microondas original para determinar la posición y el impulso de cada tambor.

Para enfriar los tambores, los investigadores aplicaron pulsos a una frecuencia más baja que las vibraciones naturales de la cavidad. Como en el experimento de 2011, los golpes de tambor convirtieron los fotones aplicados a la frecuencia más alta de la cavidad. Estos fotones se filtraron fuera de la cavidad mientras se llenaba. Cada fotón que partía llevaba consigo una unidad mecánica de energía, un fonón o un cuanto, del movimiento del tambor. Esto eliminó la mayor parte del movimiento del tambor relacionado con el calor.

Para crear un entrelazamiento, los investigadores aplicaron pulsos de microondas entre las frecuencias de los dos tambores, encima del tambor 1 y debajo del tambor 2. Estos pulsos entrelazaron los fonones del tambor 1 con los fotones de la cavidad, generando pares fotón-fonón correlacionados. Los pulsos también enfriaron aún más el tambor 2, y los fotones que salían de la cavidad fueron reemplazados por fonones. Lo que quedaba eran principalmente pares de fonones entrelazados compartidos entre los dos tambores.

Para entrelazar los pares de fonones, la duración de los pulsos fue crucial. Los investigadores encontraron que estos pulsos de microondas tenían que durar más de 4 microsegundos, idealmente 16,8 microsegundos, para enredar fuertemente los fonones. Durante este tiempo, el enredo se hizo más fuerte y el movimiento de cada tambor aumentó porque se movieron al unísono, una especie de refuerzo comprensivo, dijo Teufel.

Los investigadores buscaron patrones en las señales devueltas o en los datos del radar. En el mundo clásico, los resultados serían aleatorios. Trazar los resultados en un gráfico reveló patrones inusuales que sugerían que los tambores estaban enredados. Sin duda, los investigadores realizaron el experimento 10.000 veces y aplicaron una prueba estadística para calcular las correlaciones entre varios conjuntos de resultados, como las posiciones de los dos tambores.

“Hablando en términos generales, medimos la correlación entre dos variables; por ejemplo, si mide la posición de un tambor, ¿qué tan bien podría predecir la posición del otro tambor?”, Dijo Teufel. “Si no tienen ninguna correlación y ambos están perfectamente fríos, solo se puede adivinar la posición promedio del otro tambor dentro de la mitad de un cuanto de incertidumbre de movimiento. Cuando están enredados, podemos hacerlo mejor, con menos incertidumbre. El enredo es la única forma en que esto es posible. «

«Para verificar que el entrelazamiento está presente, realizamos una prueba estadística llamada control de entrelazamiento», dijo el teórico del NIST Scott Glancy. “Estamos viendo correlaciones entre las posiciones y los impulsos de los tambores, y si estas correlaciones son más fuertes de lo que puede producir la física clásica, sabemos que los tambores deben haberse entrelazado. Las señales de radar miden la posición y el impulso simultáneamente, pero el principio de incertidumbre de Heisenberg dice que esto no se puede hacer con perfecta precisión. Por lo tanto, pagamos un costo adicional de aleatoriedad en nuestras mediciones. Gestionamos esta incertidumbre mediante la recopilación de un gran conjunto de datos y la corrección de la incertidumbre durante nuestro análisis estadístico. «

Los sistemas cuánticos masivos altamente entrelazados como este podrían servir como nodos duraderos de redes cuánticas. Las mediciones de radar de alta eficiencia utilizadas en este trabajo podrían ser útiles en aplicaciones como la teletransportación cuántica (transferencia de datos sin un enlace físico) o el intercambio de entrelazados entre nodos en una red cuántica, ya que estas aplicaciones requieren tomar decisiones basadas en medidas de entrelazamiento. los resultados. Los sistemas entrelazados también podrían usarse en pruebas fundamentales de mecánica cuántica y detección de fuerza más allá de los límites cuánticos estándar.

Artículo: S. Kotler, GA Peterson, E. Shojaee, F. Lecocq, K. Cicak, A. Kwiatkowski, S. Geller, S. Glancy, E. Knill, RW Simmonds, J. Aumentado y JD Teufel. Observación directa del entrelazamiento macroscópico determinista. La ciencia. 6 de mayo de 2021. DOI: 10.1126 / science.abf2998