Mostrando un control preciso a nivel cuántico, Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un método para hacer que un ión (átomo cargado eléctricamente) muestre cantidades exactas de movimiento a nivel cuántico, cualquier cantidad específica hasta 100 paquetes de energía o "cuantos, "más de cinco veces el récord anterior de 17.

Mecánica cuántica, la teoría fundamental del mundo atómico, establece que la energía se libera o absorbe en pequeños paquetes, o paquetes, llamado cuantos. Los átomos liberan energía luminosa al irradiar fotones, o cuantos de luz. Cuando los investigadores lo atrapan, la energía motriz de los átomos es transportada por fonones, o cuantos de movimiento.

Además de crear números únicos de cuantos, el equipo del NIST controló el movimiento pendular de su ion para exhibir simultáneamente dos cantidades diferentes de cuantos de movimiento:cero (movimiento mínimo) más cualquier número hasta 18. Tal "superposición" de dos estados es un sello distintivo del curioso mundo cuántico.

Publicado en línea por Naturaleza el 22 de julio los nuevos métodos podrían usarse con cualquier oscilador mecánico cuántico, incluyendo sistemas que oscilan como un simple péndulo o vibran como un resorte. Las técnicas podrían conducir a nuevos tipos de simuladores y sensores cuánticos que utilicen 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. El uso del ion en una superposición como instrumento de medición de frecuencia duplicó con creces 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." Entonces podemos usar el estado cuántico como regla para medir las propiedades de un sistema. Cuanto más control cuántico tengamos, cuanto más espaciadas estén las líneas de la regla, permitiéndonos medir cantidades cada vez con mayor precisión ".

Los experimentos se realizaron con un único ion de berilio colocado a 40 micrómetros por encima de los electrodos de oro de una trampa electromagnética enfriada. Los nuevos resultados fueron posibles porque los investigadores del NIST pudieron minimizar los factores no deseados, como los campos eléctricos perdidos que intercambian energía con el ion y lo interrumpen. Dijo McCormick.

Para agregar fonones al ion, Los investigadores del NIST alternaron pulsos de láser ultravioleta justo por encima y por debajo de la diferencia de frecuencia entre dos de los estados de "giro" de los iones, o configuraciones de energía internas. Cada pulso cambiaba el ion de "girar hacia arriba" a "girar hacia abajo" o viceversa, con cada giro agregando un cuanto de movimiento de balanceo iónico. Para crear superposiciones, los investigadores aplicaron esos pulsos de láser a solo la mitad de la función de onda del ión (el patrón en forma de onda de la probabilidad de la ubicación de la partícula y el estado de giro). La otra mitad de la función de onda estaba en un tercer estado de giro que no se vio afectado por los pulsos de láser y permaneció inmóvil.

Las superposiciones del estado inmóvil (o fundamental) del ion y un número de fonones más alto dieron a los investigadores del NIST una sensibilidad de medición "mejorada cuánticamente". o precisión. Usaron el ion como 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 ión con una incertidumbre menor de lo que normalmente es posible.

Específicamente, la precisión de la medición aumenta linealmente con el número de cuantos de movimiento, hasta el mejor rendimiento en el estado de superposición 0 y 12, que ofrecía más del doble de sensibilidad que un estado cuántico de comportamiento clásico (técnicamente compuesto por un conjunto de estados numéricos). 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 entender por qué los estados de superposición ayudan a medir la frecuencia de oscilación del ión con mayor precisión, McCormick sugiere imaginar una rueda con radios.

"En un cierto espacio abstracto que describe la posición y el impulso del ion, la oscilación está representada por una rotación, ", Dijo McCormick." Queremos poder medir esta rotación con mucha precisión. Las superposiciones del estado de movimiento fundamental del ion y los estados numéricos más altos son una gran regla para esta medición porque, en esta representación abstracta, pueden visualizarse como una rueda con radios. Estos radios se pueden utilizar para determinar la cantidad de rotación del estado. Y cuanto mayor sea el estado numérico, cuantos más radios haya y más precisamente podremos medir esta rotación ".

La sensibilidad de medición que ofrecen los estados de superposición debería ayudar a caracterizar y reducir el ruido en el movimiento, una fuente importante de error que los investigadores quieren minimizar en el procesamiento de información cuántica con iones atrapados.