Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han encontrado una forma de vincular las propiedades de la mecánica cuántica de un grupo de átomos entre sí mucho más rápido de lo que es posible actualmente. proporcionando potencialmente una herramienta para aplicaciones informáticas cuánticas y de detección de alta precisión. NIST ha solicitado una patente sobre el método, que se detalla en un nuevo artículo en Cartas de revisión física .

El método, que aún no se ha demostrado experimentalmente, esencialmente aceleraría el proceso de entrelazamiento cuántico en el que las propiedades de múltiples partículas se interconectan entre sí. El entrelazamiento se propagaría a través de un grupo de átomos en mucho menos tiempo, permitiendo a los científicos construir un sistema entrelazado exponencialmente más rápido de lo que es común en la actualidad.

Matrices de átomos entrelazados suspendidos en rayos de luz láser, conocidas como celosías ópticas, son un enfoque para crear los centros lógicos de prototipos de computadoras cuánticas, pero un estado entrelazado es difícil de mantener más que brevemente. La aplicación del método a estas matrices podría dar a los científicos un tiempo precioso para hacer más con estas matrices de átomos antes de que se pierda el entrelazamiento en un proceso conocido como decoherencia.

El método aprovecha una relación física entre los átomos llamada interacción dipolar, lo que permite que los átomos se influyan entre sí a distancias mayores de lo que era posible anteriormente. Alexey Gorshkov, del equipo de investigación, lo compara con compartir pelotas de tenis entre un grupo de personas. Si bien los métodos anteriores esencialmente permitían a las personas pasar pelotas de tenis solo a una persona que estaba a su lado, el nuevo enfoque permitiría a un individuo arrojarlos a personas al otro lado de la habitación.

"Son estas interacciones dipolares de largo alcance en 3-D las que le permiten crear entrelazamientos mucho más rápido que en sistemas con interacciones de corto alcance, "dijo Gorshkov, un físico teórico en NIST y tanto en el Centro Conjunto de Información Cuántica y Ciencias de la Computación como en el Instituto Conjunto Cuántico, que son colaboraciones entre NIST y la Universidad de Maryland. "Obviamente, si puedes arrojar cosas directamente a las personas que están lejos, puedes esparcir los objetos más rápido ".

La aplicación de la técnica se centraría en ajustar la sincronización de los pulsos de luz láser, encender y apagar los láseres en patrones y ritmos particulares para cambiar rápidamente los átomos suspendidos en un sistema entrelazado coherente.

El enfoque también podría encontrar aplicación en sensores, que podría aprovechar el entrelazamiento para lograr una sensibilidad mucho mayor que la de los sistemas clásicos. Si bien la detección cuántica mejorada por entrelazamiento es un campo joven, podría permitir el escaneo de alta resolución de objetos pequeños, como distinguir ligeras diferencias de temperatura entre las partes de una célula viva individual o realizar imágenes magnéticas de su interior.

Gorshkov dijo que el método se basa en dos estudios de la década de 1990 en los que diferentes investigadores del NIST consideraron la posibilidad de utilizar una gran cantidad de objetos diminutos, como un grupo de átomos, como sensores. Los átomos podrían medir las propiedades de un campo magnético cercano, por ejemplo, porque el campo cambiaría los niveles de energía de sus electrones. Estos esfuerzos anteriores mostraron que la incertidumbre en estas mediciones sería ventajosamente menor si todos los átomos estuvieran entrelazados, en lugar de simplemente un montón de objetos independientes que estaban cerca unos de otros.

"La incertidumbre es la clave aquí, "dijo Gorshkov." Quieres que la incertidumbre sea lo más baja posible. Si los átomos están entrelazados, tienes menos incertidumbre sobre la magnitud de ese campo magnético ".

Hacer que los átomos entren en un estado entrelazado más rápidamente sería una ventaja potencial en cualquier aplicación práctica, sobre todo porque el enredo puede ser fugaz.

Cuando un grupo de átomos está entrelazado, el estado cuántico de cada uno está ligado al de los demás, de modo que todo el sistema posee un solo estado cuántico. Esta conexión puede existir incluso si los átomos están separados y completamente aislados entre sí (dando lugar a la famosa descripción de Einstein como "acción espeluznante a distancia"), pero el enredo también es una condición bastante frágil. La dificultad de mantenerlo entre un gran número de átomos ha ralentizado el desarrollo de tecnologías basadas en el entrelazamiento, como las computadoras cuánticas.

"Los estados entrelazados tienden a descohererse y vuelven a ser un grupo de átomos independientes ordinarios, ", Dijo Gorshkov." La gente sabía cómo crear enredos, pero buscamos una manera de hacerlo más rápido ".

Si el método puede demostrarse experimentalmente, podría dar tiempo adicional al procesador de una computadora cuántica para que pueda superar la decoherencia, que amenaza con hacer que un cálculo se desmorone antes de que los qubits puedan terminar su trabajo. También reduciría la incertidumbre si se usa en aplicaciones de detección.

"Creemos que esta es una forma práctica de aumentar la velocidad del entrelazamiento, ", Dijo Gorshkov." Fue lo suficientemente bueno como para patentar, así que esperamos que resulte comercialmente útil para alguien ".