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El entrelazamiento cuántico es un fenómeno que se produce cuando dos o más partículas se generan e interactúan sin una conexión física. Albert Einstein describió por primera vez este fenómeno en 1935.
Casi 90 años después, los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía de EE.UU. demostraron la posibilidad de un testigo de entrelazamiento cuántico capaz de probar la presencia de entrelazamiento entre partículas magnéticas, o espines, en un material cuántico.
El testigo de entrelazamiento es una técnica que actúa como herramienta de análisis de datos para determinar qué espines cruzan el umbral entre los reinos clásico y cuántico.
John Stewart Bell introdujo la técnica por primera vez en la década de 1960. Confirma que la teoría cuántica cuestionada por otros científicos había sido correcta. Aunque la técnica se basaba en la detección de un par de partículas a la vez, por lo que no es útil para estudiar materiales sólidos compuestos por billones y billones de partículas.
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| Los espines de un material, representados como esferas rojas, son sondeados por neutrones dispersos. La aplicación de un testigo de entrelazamiento, como el cálculo QFI representado, hace que los neutrones formen una especie de calibre cuántico. Este indicador permite a los investigadores distinguir entre las fluctuaciones de espín clásicas y cuánticas. Crédito: Nathan Armistead/ORNL, Departamento de Energía de EE.UU. |
Los científicos de este estudio apuntaron y detectaron grandes colecciones de espines enredados utilizando nuevos testigos de enredo. Ampliaron este concepto para caracterizar materiales sólidos y estudiar comportamientos exóticos en superconductores e imanes cuánticos.
Mediante una combinación de experimentos de dispersión de neutrones y simulaciones computacionales, los científicos probaron tres testigos de enredo.
Para asegurarse de que los testigos eran fiables, el equipo los aplicó a un material que sabían que estaba enredado. Dos de los testigos indicaron adecuadamente la presencia de enredo en esta cadena de espín unidimensional. Estos dos testigos se basaban en el enfoque de Bell.
Por otro lado, el tercer testigo se desempeñó excepcionalmente bien en la misma tarea. Este testigo se basaba en la teoría de la información cuántica.
Allen Scheie, investigador postdoctoral asociado en el ORNL, dijo: "El testigo de la información cuántica de Fisher, o QFI, mostró un estrecho solapamiento entre la teoría y el experimento, lo que lo convierte en una forma robusta y fiable de cuantificar el entrelazamiento".
El equipo confirmó la predicción teórica de que el entrelazamiento aumenta a medida que disminuye la temperatura y diferenció con éxito entre la actividad clásica y la cuántica como parte de la demostración más completa de QFI desde que se propuso la técnica en 2016.
El científico de dispersión de neutrones del ORNL, Alan Tennant, que dirige un proyecto centrado en los imanes cuánticos para el Centro de Ciencia Cuántica, o QSC, dijo: "Los materiales más interesantes están llenos de enredo cuántico, pero esos son precisamente los más difíciles de calcular."
Hasta ahora, identificar los materiales cuánticos era todo un reto. El método consiste en explotar el entrelazamiento para desarrollar dispositivos y sensores novedosos al tiempo que se avanza en la ciencia de la información cuántica.
Agilizar este proceso con la información cuántica de Fisher, o QFI, permite a los científicos del QSC centrarse en el aprovechamiento del poder de sustancias como los líquidos de espín cuántico y los superconductores para el almacenamiento de datos y las aplicaciones informáticas.
Allen Scheie, investigador postdoctoral asociado en el ORNL, dijo: "El poder de la QFI proviene de su conexión con la metrología cuántica, en la que los científicos entrelazan múltiples cuasipartículas para reducir la incertidumbre y obtener mediciones exactas. El testigo QFI invierte este enfoque utilizando la precisión de una medición existente para determinar el número mínimo de partículas con las que está enredado cada espín. Se trata de una potente forma de revelar las interacciones cuánticas, lo que significa que QFI es aplicable a cualquier material magnético cuántico".
Una vez establecido que QFI podía clasificar correctamente los materiales, el equipo probó una segunda cadena de espines unidimensional, un material más complejo que presenta anisotropía. Gracias a esta propiedad, los espines se sitúan en un plano en lugar de girar al azar. Los investigadores aplicaron un campo magnético a la cadena de espines y observaron una transición de enredo, en la que la cantidad de enredo cayó a cero antes de reaparecer.
Mediante la dispersión de neutrones, los científicos estudiaron ambas cadenas de espín. A continuación, analizaron los datos heredados de los experimentos llevados a cabo hace décadas en la Fuente de Neutrones ISIS de Inglaterra y en el Instituto Laue-Langevin de Francia, así como los nuevos datos del Espectrómetro Chopper de Amplio Rango Angular situado en la Fuente de Neutrones de Espalación, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE operada por el ORNL. También realizaron simulaciones complementarias para validar los resultados frente a los datos teóricos idealizados.
Tennant dijo: "Al estudiar la distribución de los neutrones que se dispersan de una muestra, que transfiere energía, pudimos utilizar los neutrones como un indicador para medir el entrelazamiento cuántico sin depender de las teorías y sin la necesidad de ordenadores cuánticos masivos que aún no existen."
Los científicos señalaron que "esta combinación de recursos computacionales y experimentales avanzados proporcionó respuestas sobre la naturaleza del entrelazamiento cuántico que originalmente se preguntaron los fundadores de la mecánica cuántica."
Fuentes, créditos y referencias:
Witnessing entanglement in quantum magnets using neutron scattering. DOI: 10.1103/PhysRevB.103.224434