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Representación de los átomos entrelazados dentro del interferómetro. Crédito: Steven Burrows, Grupo Thompson/JILA
Para crear un sensor cuántico más eficaz, un equipo de investigadores del JILA ha fusionado por primera vez dos de los aspectos más "espeluznantes" de la mecánica cuántica: el entrelazamiento entre átomos y la deslocalización de los mismos.
El entrelazamiento es el extraño efecto de la mecánica cuántica por el que lo que le ocurre a un átomo influye de algún modo en otro átomo en otro lugar. Un segundo aspecto bastante espeluznante de la mecánica cuántica es la deslocalización, el hecho de que un solo átomo pueda estar simultáneamente en más de un lugar.
En este estudio, los investigadores combinaron los aspectos espeluznantes del entrelazamiento y la deslocalización para crear un interferómetro de ondas de materia que puede detectar aceleraciones con una precisión que supera el límite cuántico estándar. Los futuros sensores cuánticos podrán proporcionar una navegación más precisa, buscar los recursos naturales necesarios, determinar las constantes fundamentales como la estructura fina y las constantes gravitacionales con mayor precisión, buscar la materia oscura con más exactitud y, quizás, incluso detectar algún día las ondas gravitacionales aumentando el grado de espeluznamiento.
Los investigadores utilizaron la luz que rebota entre los espejos, llamada cavidad óptica, para el entrelazamiento. Esto permitió que la información saltara entre los átomos y los uniera en un estado enredado. Con esta técnica especial basada en la luz, han producido y observado algunos de los estados más densamente entrelazados jamás generados en ningún sistema, ya sea atómico, fotónico o de estado sólido. Con esta técnica, el grupo diseñó dos enfoques experimentales distintos, que utilizaron en su reciente trabajo.
En el primer método, también conocido como medición cuántica sin demolición, miden previamente el ruido cuántico vinculado a sus átomos y luego eliminan esa medición 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, en el que se inyecta luz en la cavidad. Esto permite que los átomos trabajen juntos para volverse más silenciosos.
James K. Thompson, miembro del JILA y del NIST, dijo: "Los átomos son como los niños que se mandan callar para poder escuchar la fiesta que les ha prometido el profesor, pero aquí es el entrelazamiento el que hace callar".
Interferómetro de ondas de materia
El interferómetro de ondas de materia 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 utiliza pulsos de luz para hacer que los átomos se muevan simultáneamente y no se muevan al tener luz láser absorbida y no absorbida. Esto hace que los átomos, a lo largo del tiempo, estén simultáneamente en dos lugares distintos a la vez".
"Dirigimos rayos láser a los átomos, de modo que dividimos el paquete de ondas cuánticas de cada átomo en dos, es decir, la partícula existe en dos espacios separados simultáneamente".
Los pulsos posteriores de luz láser invierten el proceso, volviendo a unir 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 atómicas, de forma muy parecida a como se hace con los campos de luz en los interferómetros convencionales, pero aquí con las ondas de Broglie, u ondas hechas de materia.
El equipo de investigación determinó cómo hacer que esto funcionara dentro de una cavidad óptica con espejos altamente reflectantes. Podían medir la distancia a la que los átomos caían 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 de Pisa, pero con todas las ventajas de precisión y exactitud que aporta la mecánica cuántica.
El grupo de estudiantes de posgrado dirigido por Chengyi Luo y Graham Greve pudo entonces utilizar el entrelazamiento creado por las interacciones luz-materia para crear un interferómetro de materia-onda dentro de una cavidad óptica para detectar la aceleración debida a la gravedad de forma más silenciosa y precisa. Se trata del primer caso en el que se ha observado un interferómetro de materia-onda con un nivel de precisión que supera el límite cuántico típico impuesto por el ruido cuántico de los átomos no enredados.
Gracias a esta mayor precisión, investigadores como Luo y Thompson ven muchas ventajas futuras en la utilización del entrelazamiento como recurso en los sensores cuánticos. Creo que un día podremos introducir el entrelazamiento en interferómetros de ondas de materia para detectar ondas gravitacionales en el espacio o para la búsqueda de materia oscura, cosas que indagan en la física fundamental, así como dispositivos que pueden utilizarse para aplicaciones cotidianas como la navegación o la geodesia".
"Con este trascendental avance experimental, Thompson y su equipo esperan que otros utilicen este nuevo enfoque del interferómetro entrelazado para dar lugar a otros avances en el campo de la física. Aprendiendo a aprovechar y controlar todo lo espeluznante que ya conocemos, ¡quizá podamos descubrir nuevas cosas espeluznantes sobre el universo en las que aún no hemos pensado!"
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente: Universidad de Colorado, Boulder