La luz se propaga a través de la nube atómica que se muestra en el centro y luego cae sobre la membrana de SiN que se muestra a la izquierda. Como resultado de la interacción con la luz, la precesión de los espines atómicos y la vibración de la membrana se correlacionan cuánticamente. Ésta es la esencia del entrelazamiento entre los átomos y la membrana. Crédito: Instituto Niels Bohr
Un equipo de investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague ha logrado entrelazar dos objetos cuánticos muy diferentes. El resultado tiene varias aplicaciones potenciales en la detección ultraprecisa y la comunicación cuántica y ahora se publica en Física de la naturaleza.
El entrelazamiento es la base de la comunicación cuántica y la detección cuántica. Puede entenderse como un vínculo cuántico entre dos objetos que hace que se comporten como un solo objeto cuántico.
Ahora, investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague han logrado entrelazar dos objetos distantes y distintos. Uno es un oscilador mecánico, una membrana dieléctrica vibrante, y el otro es una nube de átomos, cada uno actuando como un pequeño imán, lo que los físicos llaman espín. Estas entidades tan diferentes se han vuelto ahora posibles de entrelazar conectándolas con fotones, partículas de luz. Los átomos pueden ser útiles para procesar información cuántica y la membrana, o los sistemas cuánticos mecánicos en general, pueden ser útiles para el almacenamiento de información cuántica.
El profesor Eugene Polzik, quien dirigió el esfuerzo, afirma que: “Con esta nueva técnica, estamos en camino de ampliar los límites de las posibilidades de entrelazamiento. Cuanto más grandes son los objetos, más separados están, más dispares son, más interesante se vuelve el entrelazamiento desde las perspectivas fundamental y aplicada. Con el nuevo resultado, se ha hecho posible el enredo entre objetos muy diferentes “.
¿Qué es el entrelazamiento y cómo se aplica?
Para comprender el alcance total del nuevo resultado, es importante comprender exactamente qué significa el concepto de entrelazamiento:
Siguiendo el ejemplo de los giros entrelazados con una membrana mecánica, imagine la posición de la membrana vibrante y la inclinación del giro total de todos los átomos, similar a una peonza. Si ambos objetos se mueven al azar, pero podemos observar que ambos se mueven hacia la derecha o hacia la izquierda al mismo tiempo, lo llamamos correlación. Tal movimiento correlacionado normalmente se limita al llamado movimiento de punto cero – el movimiento residual, no correlacionado de toda la materia que ocurre incluso en cero absoluto temperatura. Esto limita nuestro conocimiento sobre cualquiera de los sistemas. En su experimento, el equipo de Eugene Polzik ha entrelazado los sistemas, lo que significa que se mueven de forma correlacionada con una precisión mejor que el movimiento de punto cero. “La mecánica cuántica es como un arma de doble filo: nos brinda nuevas tecnologías maravillosas, pero también limita la precisión de las mediciones que parecerían fáciles desde un punto de vista clásico”, dice un miembro del equipo, Michał Parniak. Los sistemas entrelazados pueden permanecer perfectamente correlacionados incluso si están a distancia unos de otros, una característica que ha desconcertado a los investigadores desde el nacimiento de la mecánica cuántica hace más de 100 años.
El estudiante de doctorado Christoffer Østfeldt explica además: “Imagine las diferentes formas de realizar estados cuánticos como una especie de zoológico de diferentes realidades o situaciones con cualidades y potenciales muy diferentes. Si, por ejemplo, queremos construir un dispositivo de algún tipo, con el fin de explotar las diferentes cualidades que todos poseen y en el que realizan diferentes funciones y resuelven una tarea diferente, será necesario inventar un lenguaje que todos sean capaces hablar. Los estados cuánticos deben poder comunicarse, para que podamos utilizar todo el potencial del dispositivo. Eso es lo que este enredo entre dos elementos en el zoológico ha demostrado que ahora somos capaces de hacer “.
Un ejemplo específico de perspectivas de entrelazar diferentes objetos cuánticos es la detección cuántica. Los diferentes objetos poseen sensibilidad a diferentes fuerzas externas. Por ejemplo, los osciladores mecánicos se utilizan como acelerómetros y sensores de fuerza, mientras que los espines atómicos se utilizan en magnetómetros. Cuando solo uno de los dos objetos entrelazados diferentes está sujeto a perturbaciones externas, el entrelazamiento permite medirlo con una sensibilidad no limitada por las fluctuaciones del punto cero del objeto.
Las perspectivas para las aplicaciones futuras de la nueva técnica
Existe una posibilidad bastante inmediata para la aplicación de la técnica en la detección tanto de osciladores pequeños como grandes. Una de las mayores noticias científicas de los últimos años fue la primera detección de ondas gravitacionales, realizada por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO). LIGO detecta y mide ondas extremadamente débiles causadas por eventos astronómicos en el espacio profundo, como calabozo fusiones o estrella neutrón fusiones. Las ondas se pueden observar porque sacuden los espejos del interferómetro. Pero incluso la sensibilidad de LIGO está limitada por la mecánica cuántica porque los espejos del interferómetro láser también son sacudidos por las fluctuaciones del punto cero. Esas fluctuaciones conducen a ruidos que impiden la observación del pequeño movimiento de los espejos causado por ondas gravitacionales.
Precisión ilimitada en las mediciones que probablemente se puedan lograr
En principio, es posible generar un entrelazamiento de los espejos LIGO con una nube atómica y así cancelar el ruido de punto cero de los espejos de la misma manera que lo hace con el ruido de membrana en el presente experimento. La perfecta correlación entre los espejos y los espines atómicos debido a su entrelazamiento se puede utilizar en dichos sensores para borrar virtualmente la incertidumbre. Simplemente requiere que tomemos información de un sistema y apliquemos el conocimiento al otro. De esta manera, podríamos aprender sobre la posición y el impulso de los espejos de LIGO al mismo tiempo, entrando en un subespacio llamado libre de mecánica cuántica y dando un paso hacia la precisión ilimitada de las mediciones de movimiento. Un experimento modelo que demuestra este principio está en camino en el laboratorio de Eugene Polzik.
Referencia: “Enredo entre sistemas mecánicos macroscópicos distantes y sistemas de espín” por Rodrigo A. Thomas, Michał Parniak, Christoffer Østfeldt, Christoffer B. Møller, Christian Bærentsen, Yeghishe Tsaturyan, Albert Schliesser, Jürgen Appel, Emil Zeuthen y Eugene S. Polzik, 21 Septiembre 2020, Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41567-020-1031-5
