Físicos del NIST (National Institute of Standards and Technology) han logrado niveles récord de movimiento cuántico, un avance que puede mejorar las mediciones y la computación cuántica.
En concreto, han desarrollado un método para hacer que un ion (átomo cargado eléctricamente) muestre cantidades exactas de movimiento a nivel cuántico: cualquier cantidad específica de hasta 100 paquetes de energía o “quanta”, más de cinco veces el récord anterior anterior de 17.
La mecánica cuántica, la teoría fundamental del mundo atómico, establece que la energía se libera o absorbe en paquetes pequeños, o paquetes, llamados quanta. Los átomos liberan energía luminosa irradiando fotones, o quanta de luz. Cuando los investigadores los atrapan en una trampa, la energía de movimiento de los átomos es transportada por los fonones, o quanta de movimiento.
Además de crear números únicos de quanta, el equipo del NIST controló el movimiento pendular de su ión para exhibir simultáneamente dos cantidades diferentes de quanta móviles: cero (movimiento mínimo) más cualquier número hasta 18. Tal “superposición” de dos estados es un sello del curioso mundo cuántico.
Publicado por Nature el 22 de julio, los nuevos métodos podrían usarse con cualquier oscilador mecánico cuántico, incluidos los sistemas que oscilan como un péndulo simple o vibran como un resorte. Las técnicas podrían conducir a nuevos tipos de simuladores cuánticos y sensores que usan fonones como portadores de información. Además, la capacidad de adaptar los estados de superposición puede mejorar las mediciones cuánticas y el procesamiento de la información cuántica. Usar el ion en una superposición como un instrumento de medición de frecuencia más que duplicó la precisión en comparación con las mediciones convencionales de la frecuencia de vibración del ion.
“Si tenemos el control cuántico de un objeto, podemos ‘doblar’ las reglas clásicas para tener menos incertidumbres en ciertas direcciones deseadas a expensas de mayores incertidumbres en otras direcciones”, dijo la primera autora Katie McCormick. “Luego podemos usar el estado cuántico como una regla para medir las propiedades de un sistema. Cuanto más control cuántico tenemos, más estrechamente espaciadas están las líneas en la regla, lo que nos permite medir cantidades con mayor y más precisión”.
Los experimentos se realizaron con un único ion berilio que se mantuvo a 40 micrómetros por encima de los electrodos de oro de una trampa electromagnética refrigerada. Los nuevos resultados fueron posibles porque los investigadores del NIST pudieron minimizar los factores no deseados, como los campos eléctricos dispersos que intercambian energía con el ion y lo interrumpen, dijo McCormick en un comunicado.
Para agregar fonones al ion, los investigadores del NIST alternaron los pulsos del láser ultravioleta justo por encima y por debajo de la diferencia de frecuencia entre dos de los estados de “espín” de los iones, o las configuraciones internas de energía. Cada pulso invirtió el ión de “espín hacia arriba” a “espín hacia abajo” o viceversa, y cada tirón agrega un quanta de movimiento de oscilación de iones. Para crear superposiciones, los investigadores aplicaron esos pulsos de láser solo a la mitad de la función de onda del ion (el patrón en forma de onda de la probabilidad de la ubicación de la partícula y el estado de espín). La otra mitad de la función de onda se encontraba en un tercer estado de espín que no se vio afectado por los pulsos del láser y permaneció inmóvil.
Las superposiciones del estado inmóvil del ión (o tierra) y un número de fonón más alto dieron a los investigadores del NIST una sensibilidad o precisión de medición “mejorada cuánticamente”. Utilizaron el ion como un interferómetro, un instrumento que divide y fusiona dos ondas parciales para crear un patrón de interferencia que se puede analizar para caracterizar la frecuencia. Los investigadores del NIST utilizaron el interferómetro para medir la frecuencia de oscilación del ion con una incertidumbre más pequeña de lo que normalmente es posible.
Específicamente, la precisión de la medición aumentó linealmente con el número de cuantos de movimiento, hasta el mejor rendimiento en el estado de superposición 0 y 12, que ofreció más del doble de la sensibilidad de un estado cuántico de comportamiento clásico (técnicamente compuesto por un conjunto de números estados). Ese estado de superposición de 0 y 12 también fue más de siete veces más preciso que la superposición de interferómetro más simple de 0 y 1.
Para comprender por qué los estados de superposición ayudan a medir la frecuencia de oscilación del ion con mayor precisión, McCormick sugiere imaginar una rueda con radios.
“En un cierto espacio abstracto que describe la posición y el momento del ión, la oscilación está representada por una rotación”, dijo McCormick. “Queremos poder medir esta rotación con mucha precisión. Las superposiciones del estado fundamental de movimiento del ión y los estados con números más altos son una gran regla para esta medición porque, en esta representación abstracta, se pueden visualizar como una rueda con radios. los rayos se pueden usar para determinar la cantidad por la que ha girado el estado. Y cuanto mayor sea el estado del número, más radios habrá y con mayor precisión podremos medir esta rotación “.
La sensibilidad de medición ofrecida por los estados de superposición debería ayudar a caracterizar y reducir el ruido en el movimiento, una importante fuente de error que los investigadores desean minimizar en el procesamiento de información cuántica con iones atrapados.
Fuente: europapress.es