Para la mayoría de las personas, la mecánica cuántica parece bastante rara. Tome el principio de deslocalización, que establece que una partícula cuántica puede, en cierto sentido, existir simultáneamente en múltiples ubicaciones. Luego está el entrelazamiento: la conexión invisible entre partículas que permite que el estado de una partícula determine el de otra, incluso a grandes distancias. Pero por extraños que sean la deslocalización y el entrelazamiento, pueden ser muy útiles, y los físicos de JILA en Boulder, Colorado, EE. UU., ahora han incorporado ambos en un solo sensor cuántico por primera vez. El nuevo sensor puede detectar aceleraciones por debajo del límite habitual establecido por el ruido que surge de las fluctuaciones cuánticas, proporcionando una herramienta más precisa para explorar la física fundamental, así como para aplicaciones como la navegación y el monitoreo de la Tierra.

La configuración experimental del equipo de JILA utiliza un interferómetro de onda de materia, que interfiere con partículas cuánticas masivas de la misma manera que un interferómetro ordinario interfiere con los rayos de luz. Si bien los interferómetros basados ​​en luz pueden ser muy sensibles (se utilizan para detectar ondas gravitacionales), sus equivalentes de ondas de materia pueden, en principio, detectar aceleraciones aún más pequeñas porque la longitud de onda cuántica de las partículas masivas es mucho más corta. Estos sensores ofrecen, por tanto, una forma de buscar fenómenos como la materia oscura y la energía oscura que actualmente no se pueden detectar directamente, pero que sin embargo dan a conocer su presencia a través de efectos gravitacionales.

Baja el ruido

En el experimento, los átomos se colocan primero dentro de una cavidad óptica, que es un conjunto de espejos opuestos con luz atrapada en el medio. La luz que rebota entre estos espejos interactúa con los átomos, provocando que casi 1000 de ellos se enreden entre sí.

La sensibilidad máxima de los sensores cuánticos generalmente está limitada por el ruido producido por el colapso aleatorio de los estados cuánticos de los átomos individuales cada vez que se miden. Los experimentos anteriores buscaron reducir este ruido cuántico ejecutando el experimento en paralelo una multitud de veces con muchos átomos, y luego promediando el ruido cuántico de cada átomo individual.

Sin embargo, en el experimento del equipo de JILA, los investigadores probaron dos alternativas en las que los átomos realmente conspiran entre sí para cancelar el ruido cuántico de cada uno. El primer enfoque involucró las llamadas mediciones cuánticas sin demolición, en las que los investigadores realizaron una medición previa del ruido cuántico asociado con los átomos y luego restaron este ruido cuántico de la medición final. En el segundo método, los investigadores introdujeron luz en la cavidad que desencadena un proceso atómico conocido como torsión de un eje, que hace que los átomos entrelazados en diferentes estados de movimiento (o estados de momento) tengan una incertidumbre menor que la que tendrían si los átomos estuvieran no enredado.

Los estados cuánticos resultantes se denominan estados de espín apretados porque consisten en dos niveles de estados de impulso que esencialmente se “aprietan” para formar un sistema de espín efectivo. En el experimento del equipo de JILA, estos estados de espín apretados permiten medir con mayor precisión cualquier fase cuántica que se acumule entre los estados de momento debido a las aceleraciones. En ambos enfoques, debido al entrelazamiento entre los átomos, el ruido cuántico se correlaciona entre los átomos de tal manera que el ruido cuántico de un átomo es cancelado por el de otro, lo que hace que el sensor cuántico sea "más silencioso" y, por lo tanto, más preciso.

Por todo el lugar

En el segundo paso del experimento, los investigadores introdujeron la deslocalización. Los láseres separan los paquetes de ondas de los átomos, llevándolos así a una superposición de diferentes estados de impulso; a medida que las dos partes de los paquetes de ondas se separan, cada átomo se encuentra esencialmente en dos ubicaciones al mismo tiempo. Al cancelar esta superposición con otro láser, los paquetes de ondas de los átomos interfieren entre sí y cualquier influencia en su ubicación, por ejemplo, debido a la gravedad, puede detectarse con una sensibilidad ultraalta. La combinación de este experimento de interferencia con los enfoques de entrelazamiento hizo posible que los investigadores detectaran aceleraciones más pequeñas que el límite cuántico estándar establecido por el ruido cuántico de los átomos individuales.

james k thompson, que dirigió la investigación del equipo junto con los estudiantes de doctorado Chengyi Luo y Graham Greve, dice que el uso de estados comprimidos para la detección cuántica a menudo se denomina "cuántica 2.0", una versión de la detección cuántica que va más allá de la física de partículas individuales. Menciona que está surgiendo "una sinergia maravillosa" entre los avances en la detección cuántica y la simulación cuántica, y está interesado en explotar esto de dos maneras: mediante el uso de la codificación de estado cuántico de estados cuánticos para realizar la simulación cuántica, y mediante la aplicación de las herramientas. de detección cuántica para medir la evolución del sistema cuántico de muchos cuerpos. "Lo que aprendemos se puede usar para mejorar aún más los sensores cuánticos", dice.

El cristal de iones atrapados crea un sensor cuántico ultrapreciso

Timoteo Kovachy, un físico de la Universidad de Northwestern en los EE. UU. que no participó en la investigación, dice que el límite cuántico estándar puede ser una restricción significativa en la precisión de los sensores cuánticos. Por lo tanto, describe el resultado como un gran paso adelante para la detección cuántica. Dice que la incorporación de la compresión de espín para superar el límite cuántico estándar es esencial para que estos interferómetros alcancen su máximo potencial y que es un logro significativo realizar la compresión basada en cavidades junto con la interferometría de átomos intracavitarios. Agrega que las cavidades también pueden proporcionar características valiosas para la interferometría atómica, como una mejor calidad del modo espacial y acumulación de energía.

La investigación se publica en Naturaleza.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/double-dose-of-quantum-weirdness-pushes-sensors-past-the-limit/