Usando un condensado de Bose-Einstein compuesto por millones de átomos de sodio, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han observado una transición de fase cuántica aguda inducida magnéticamente en la que esperan encontrar pares atómicos entrelazados. El trabajo acerca a los científicos a un estado enredado evasivo que tendría aplicaciones potenciales de detección y computación más allá de sus intereses científicos básicos.

El uso de átomos entrelazados de un condensado podría mejorar la sensibilidad y reducir el ruido al detectar cambios muy pequeños en las propiedades físicas, como los campos magnéticos o la rotación. Y también podría proporcionar una base para las computadoras cuánticas capaces de realizar ciertos cálculos mucho más rápido que las computadoras digitales convencionales.

Patrocinado por la National Science Foundation, La investigación se informó el 23 de enero como una comunicación rápida en la revista. Revisión física A .

"Hemos definido una ventana en la que esperamos poder observar el entrelazamiento, "dijo Chandra Raman, profesor asociado en la Escuela de Física de Georgia Tech. "Ahora sabemos dónde buscarlo, y sabemos buscarlo ".

Raman y el ex estudiante de posgrado Anshuman Vinit han estado estudiando los condensados ​​de Bose-Einstein (BEC) como una fuente de enredo, buscando aprovechar la pureza cuántica del sistema para crear condiciones en las que pueda producirse la correlación entre átomos. Los BEC normalmente no contienen átomos entrelazados.

"Encontramos formas de diseñar el sistema para crear entrelazamientos, "Explicó Raman." Observamos el comportamiento del sistema mientras sintonizamos el campo magnético muy cerca del límite de fase y mostramos que el límite tenía un punto muy definido. Pudimos resolver ese límite con un nivel de incertidumbre que no pensamos que podríamos obtener hasta que hicimos el experimento ".

Las predicciones teóricas han sugerido que en el límite entre las diferentes fases magnéticas de un condensado de espinor Bose-Einstein, los científicos encontrarían un estado cuántico entrelazado de todos los átomos. En condensados ​​de spinor Bose-Einstein, los momentos magnéticos individuales no necesitan tener una orientación bien definida en el espacio, sino más bien, puede existir en una superposición de diferentes orientaciones.

En su experimento, los investigadores identificaron dos fases:antiferromagnética y polar. En la fase polar, todos los átomos alinean sus momentos verticalmente, mientras que en la fase antiferromagnética, están alineados horizontalmente. En un BEC exactamente en el límite entre estas fases, los teóricos habían predicho la existencia de una superposición mecánica cuántica de todas las alineaciones posibles, un estado enredado.

Los investigadores aún no han observado ese estado enredado, pero su trabajo hasta ahora ha definido una ventana experimental dentro de la cual buscar nuevos efectos físicos que gobiernen diferentes fases magnéticas, o para generar estados entrelazados que sean relevantes para los sistemas cuánticos.

Investigaciones anteriores en el laboratorio de Raman habían producido las dos fases, pero el límite entre ellos fue "manchado" por inhomogeneidades del campo magnético. Al suavizar el campo magnético para que sea más uniforme, los investigadores pudieron eliminar las variaciones para producir un límite definido entre las fases.

En el área de transición estrechamente definida identificada en la investigación, los átomos se dividen entre las dos fases, causando que se formen pares entrelazados, Dijo Raman. El estado puede ser lo suficientemente estable como para encontrar aplicaciones prácticas, aunque los científicos no lo sabrán con certeza hasta que realmente puedan observar y medir las propiedades.

Los investigadores midieron el límite en su sistema "saltando" el campo magnético de una parte del BEC a otra. El movimiento creó una inestabilidad dinámica en el sistema atómico; cuanto mayor sea la inestabilidad, cuanto menos tiempo requiera el sistema para volver al equilibrio, como predice la teoría cuántica.

Los investigadores ahora creen que han preparado el escenario para observar el entrelazamiento en grupos más pequeños de átomos, quizás no más de mil.

"Con nuestra sensibilidad actual, creemos que podríamos observar estos estados de espín correlacionados con un número razonable de partículas, ", Dijo Raman." Creemos que es experimentalmente factible, y dado que podemos medir el límite con precisión, podemos comenzar a probar las teorías que gobiernan el comportamiento en este régimen ".

Una vez que se muestra, el gran conjunto de átomos podría dividirse en muchos grupos más pequeños que operan de forma independiente, cada uno con límites de fase que contienen átomos entrelazados.

Aunque Raman encuentra interesantes la ciencia básica y la computación cuántica, está igualmente entusiasmado con las posibles aplicaciones de detección.

"Si pudiera reducir el nivel de ruido mediante el uso inteligente de superposiciones de mecánica cuántica, podría realizar sensores que son más precisos y podrían detectar efectos más pequeños, ", dijo." En la detección cuántica se podría utilizar el entrelazamiento para aumentar la precisión de las mediciones a niveles que, en sistemas de sensores clásicos, tendría un nivel de ruido más alto ".

En sistemas oscilantes clásicos como el lanzamiento de monedas, cada flip es un sistema independiente y tiene un cierto nivel de ruido. Pero debido a la correlación, los pares atómicos ya no serían sistemas independientes.

"En un sistema clásico ordinario, hay una cierta cantidad de ruido que tiene que ver con el hecho de que está realizando mediciones en sistemas independientes, ", dijo." En los sistemas cuánticos, es posible suprimir ese ruido si los átomos están correlacionados. Es como si las monedas estuvieran hablando entre sí ".

Por lo tanto, los sensores cuánticos podrían detectar cambios en la rotación o variación magnética que son demasiado pequeños para los sensores actuales. Se pueden encontrar otras aplicaciones en la medición espectroscópica, Dijo Raman.