La Nueva Técnica De Entrelazado Podría Hacer Que Los Relojes Atómicos Sean Más Precisos

Una nueva técnica podría hacer que los relojes atómicos sean más precisos

Esta imagen ilustra el entrelazamiento de una gran cantidad de átomos. Los átomos, que se muestran en púrpura, se muestran mutuamente entrelazados.

Los investigadores han desarrollado una nueva técnica que puede entrelazar miles de átomos con un solo fotón, abriendo la puerta a una nueva clase de estados entrelazados.

Físicos de MIT y la Universidad de Belgrado han desarrollado una nueva técnica que puede entrelazar con éxito 3.000 átomos utilizando un solo fotón. Los resultados, publicados hoy en la revista Nature, representan el mayor número de partículas que se han entrelazado mutuamente experimentalmente.

Los investigadores dicen que la técnica proporciona un método realista para generar grandes conjuntos de átomos entrelazados, que son componentes clave para realizar relojes atómicos más precisos.

“Puede argumentar que un solo fotón no puede cambiar el estado de 3.000 átomos, pero este fotón sí lo hace: genera correlaciones que no tenía antes”, dice Vladan Vuletic, profesor Lester Wolfe en el Departamento de Physics y el autor principal del artículo. “Básicamente, hemos abierto una nueva clase de estados entrelazados que podemos hacer, pero hay muchas más clases nuevas que explorar”.

Los coautores de Vuletic en el artículo son Robert McConnell, Hao Zhang y Jiazhong Hu del MIT, así como Senka Cuk de la Universidad de Belgrado.

Enredo atómico y cronometraje

El entrelazamiento es un fenómeno curioso: según la teoría, dos o más partículas pueden estar correlacionadas de tal manera que cualquier cambio en una cambiará simultáneamente a la otra, sin importar cuán alejadas estén. Por ejemplo, si uno átomo en un par entrelazado que de alguna manera se hiciera girar en el sentido de las agujas del reloj, se sabría instantáneamente que el otro átomo gira en el sentido contrario a las agujas del reloj, aunque los dos puedan estar físicamente separados por miles de millas.

El fenómeno del entrelazamiento, que el físico Albert Einstein una vez descartó como “acción espeluznante a distancia”, no se describe por las leyes de la física clásica, sino por la mecánica cuántica, que explica las interacciones de las partículas a nanoescala. A escalas tan minúsculas, se sabe que partículas como los átomos se comportan de manera diferente a la materia en la macroescala.

Los científicos han estado buscando formas de entrelazar no solo pares, sino una gran cantidad de átomos; Estos conjuntos podrían ser la base de potentes ordenadores cuánticos y relojes atómicos más precisos. Esto último es una motivación para el grupo de Vuletic.

Los mejores relojes atómicos de hoy en día se basan en las oscilaciones naturales dentro de una nube de átomos atrapados. A medida que los átomos oscilan, actúan como un péndulo, manteniendo un tiempo estable. Un rayo láser dentro del reloj, dirigido a través de la nube de átomos, puede detectar las vibraciones de los átomos, que finalmente determinan la duración de un solo segundo.

“Los relojes de hoy son realmente asombrosos”, dice Vuletic. “Estarían menos de un minuto fuera si corrieran desde el Big Bang – esa es la estabilidad de los mejores relojes que existen hoy. Esperamos llegar aún más lejos “.

los exactitud de los relojes atómicos mejora a medida que más y más átomos oscilan en una nube. La precisión de los relojes atómicos convencionales es proporcional a la raíz cuadrada del número de átomos: por ejemplo, un reloj con nueve veces más átomos solo sería tres veces más preciso. Si estos mismos átomos estuvieran entrelazados, la precisión de un reloj podría ser directamente proporcional al número de átomos, en este caso, nueve veces más precisa. Cuanto mayor sea el número de partículas entrelazadas, mejor será el cronometraje de un reloj atómico.

Captando ruido cuántico

Hasta ahora, los científicos han podido entrelazar grandes grupos de átomos, aunque la mayoría de los intentos solo han generado entrelazamientos entre pares en un grupo. Solo un equipo ha entrelazado con éxito alrededor de 100 átomos, el entrelazamiento mutuo más grande hasta la fecha, y solo una pequeña fracción de todo el conjunto atómico.

Ahora Vuletic y sus colegas han creado con éxito un entrelazamiento mutuo entre 3.000 átomos, prácticamente todos los átomos del conjunto, utilizando una luz láser muy débil, hasta pulsos que contienen un solo fotón. Cuanto más débil sea la luz, mejor, dice Vuletic, ya que es menos probable que interrumpa la nube. “El sistema permanece en un estado cuántico relativamente limpio”, dice.

Los investigadores primero enfriaron una nube de átomos, luego los atraparon en una trampa láser y enviaron un pulso láser débil a través de la nube. Luego configuraron un detector para buscar un fotón particular dentro del haz. Vuletic razonó que si un fotón ha pasado a través de la nube de átomos sin ningún evento, su polarización o dirección de oscilación seguiría siendo la misma. Sin embargo, si un fotón ha interactuado con los átomos, su polarización gira ligeramente, una señal de que se vio afectado por el “ruido” cuántico en el conjunto de átomos en rotación, siendo el ruido la diferencia en el número de átomos que giran en el sentido de las agujas del reloj y en sentido anti-horario.

“De vez en cuando, observamos un fotón saliente cuyo campo eléctrico oscila en una dirección perpendicular a la de los fotones entrantes”, dice Vuletic. “Cuando detectamos un fotón de este tipo, sabemos que debe haber sido causado por el conjunto atómico y, sorprendentemente, esa detección genera un estado muy fuertemente entrelazado de los átomos”.

Eugene Polzik, profesor de óptica cuántica en el Instituto Niels Bohr en Copenhague, ve el exitoso entrelazamiento mutuo de átomos del grupo como “un logro notable”.

“La técnica amplía significativamente las opciones para generar y operar en estados entrelazados no clásicos de conjuntos atómicos”, dice Polzik, que no participó en la investigación. “Como tal, puede ser útil para relojes, detección cuántica de campos magnéticos y comunicación cuántica”.

Vuletic y sus colegas están utilizando actualmente la técnica de detección de fotón único para construir un reloj atómico de última generación que esperan supere lo que se conoce como el “límite cuántico estándar”, un límite a la precisión de las mediciones cuánticas. sistemas. Vuletic dice que la configuración actual del grupo puede ser un paso hacia el desarrollo de estados entrelazados aún más complejos.

“Este estado en particular puede mejorar los relojes atómicos en un factor de dos”, dice Vuletic. “Nos esforzamos por hacer estados aún más complicados que puedan llegar más lejos”.

Esta investigación fue apoyada en parte por la National Science Foundation, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Publicación : Robert McConnell, et al., “Entrelazamiento con función de Wigner negativa de casi 3000 átomos anunciados por un fotón”, Nature 519, 439–442 (26 de marzo de 2015); doi: 10.1038 / nature14293

Imagen: Christine Daniloff / MIT y Jose-Luis Olivares / MIT

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