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Aumento sigiloso del entrelazamiento atómico

Einstein se refirió originalmente al entrelazamiento como la creación de una acción aterradora a distancia: el extraño efecto de la mecánica cuántica en el que lo que le sucede a un átomo de una manera afecta a otro átomo en otro lugar.

El entrelazamiento está en el corazón de las esperanzadoras computadoras cuánticas, los simuladores cuánticos y los sensores cuánticos.

El segundo aspecto algo aterrador de la mecánica cuántica es la deslocalización, el hecho de que un solo átomo puede estar en más de un lugar al mismo tiempo.

El grupo de Thompson combinó el entrelazamiento y la deslocalización para lograr un interferómetro de ondas materiales que puede detectar la aceleración con una precisión superior al límite cuántico estándar (un límite para la precisión de una medición experimental a nivel cuántico) por primera vez. tiempo.

Al duplicar el miedo, los futuros sensores cuánticos podrán proporcionar una navegación más precisa, explorar los recursos naturales necesarios, determinar con mayor precisión las constantes fundamentales como la microestructura y las constantes gravitacionales, buscar con mayor precisión la materia oscura o tal vez incluso detectar ondas gravitacionales.

Para vincular dos objetos, hay que acercarlos mucho, mucho, para que puedan interactuar.

El grupo de Thompson ha aprendido a entrelazar miles con millones de átomos incluso cuando están separados por milímetros o más.

Hacen esto usando luz que rebota entre espejos, llamada cavidad óptica, para permitir que la información salte entre los átomos y los enlace en un estado entrelazado.

Usando este enfoque único basado en la luz, han creado y observado algunos de los estados más entrelazados creados en cualquier sistema, ya sea atómico, fotónico o sólido.

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Usando esta técnica, el grupo diseñó dos enfoques experimentales distintos, los cuales usaron en su trabajo reciente.

En el primer enfoque, llamado medición no destructiva cuántica, miden previamente el ruido cuántico asociado con sus átomos y simplemente restan el ruido cuántico de su medición final.

En un segundo enfoque, la luz inyectada en la cavidad hace que los átomos experimenten una torsión uniaxial, un proceso en el que el ruido cuántico de cada átomo se relaciona con el ruido cuántico de todos los demás átomos para que puedan conspirar juntos y volverse más silenciosos. .

«Los átomos son como niños que se gritan unos a otros pidiendo silencio para poder escuchar la fiesta que les prometió el maestro, pero aquí es el enredo lo que conduce al silencio», dice Thompson.

El interferómetro de onda de materia es uno de los sensores cuánticos más exactos y precisos de la actualidad.

La idea es que uno use pulsos de luz para hacer que los átomos se muevan al mismo tiempo y no se muevan absorbiendo y no absorbiendo luz láser.

Esto hace que los átomos estén en dos lugares diferentes a la vez con el tiempo.

Como explicó el estudiante graduado Chengyi Luo: «Estamos disparando láseres a los átomos, por lo que en realidad hemos dividido el haz de onda cuántica de cada átomo en dos partes, en otras palabras, la partícula está en realidad en dos espacios separados al mismo tiempo».

Luego, los pulsos posteriores de luz láser invierten el proceso que vuelve a unir los haces de ondas cuánticas para que cualquier cambio en el entorno, como la aceleración o la rotación, pueda detectarse mediante una cantidad medible de interferencia que ocurre en dos partes de un haz de ondas atómicas, mucho más. como se hace usando campos de luz en los interferómetros ordinarios, pero aquí con ondas de De Broglie u ondas hechas de materia.

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El equipo de estudiantes graduados de JILA descubrió cómo hacer todo este trabajo dentro de una cavidad óptica utilizando espejos altamente reflectantes.

Pueden medir cuántos átomos caen a lo largo de la cavidad orientada verticalmente debido a la gravedad en una versión cuántica del experimento de Galileo sobre la gravedad que dejó caer elementos desde la Torre Inclinada de Pisa, pero con todas las ventajas y precisión que provienen de la mecánica cuántica.

Al aprender a operar un interferómetro de onda de materia dentro de una cavidad óptica, un equipo de estudiantes graduados dirigido por Chengyu Lu y Graham Gref pudo aprovechar las interacciones luz-materia para crear un enredo entre diferentes átomos para hacer más silencioso y preciso. Medidas de aceleración debida a la gravedad.

Esta es la primera vez que alguien ha podido observar un interferómetro de ondas de materia con una precisión más allá del límite cuántico estándar de precisión definido por el ruido cuántico de los átomos no entrelazados.

Gracias a la resolución mejorada, investigadores como Luo y Thompson ven muchos beneficios futuros en el uso del entrelazamiento como recurso en sensores cuánticos.

Thompson dice: «Creo que algún día podremos introducir el entrelazamiento en los interferómetros de ondas de materia para detectar ondas gravitacionales en el espacio, o para búsquedas de materia oscura, cosas que prueban la física básica, así como dispositivos que se pueden usar para todos los de hoy». aplicaciones como la navegación o la geodesia.

Con este tremendo avance experimental, Thompson y su equipo esperan que otros utilicen este nuevo enfoque del interferómetro de entrelazamiento para generar más avances en el campo de la física.

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Thompson dice con optimismo: «Al aprender a controlar y controlar todo tipo de horrores que ya conocemos, ¡tal vez podamos descubrir nuevas cosas aterradoras sobre el universo en las que aún no hemos pensado!»