Principio de incertidumbre de Heisenberg, la imposibilidad fundamental de medir simultáneamente propiedades como la posición y el momento, está en el corazón de la teoría cuántica. Los físicos de ETH Zurich ahora han demostrado una forma elegante de relajar esta incompatibilidad intrínseca utilizando un oscilador mecánico formado por un solo ión atrapado, abriendo un camino tanto para los estudios fundamentales como para los usos prácticos.

El principio de incertidumbre de Heisenberg postula que existe un límite fundamental a la precisión con la que las llamadas variables complementarias, como la posición y el impulso, se puede medir. Es decir, cuanto más exactamente se conozcan la velocidad y la dirección (y por tanto el momento) de una partícula cuántica, menos seguros podemos estar acerca de su posición. Notablemente, esta limitación intrínseca se puede relajar cuando las mediciones extraen funciones periódicas de posición y momento con una escala característica de longitud y momento, respectivamente. Simplemente pon, la incertidumbre en cualquiera de las variables puede extenderse en términos generales, Estructuras en forma de peine en las que cada diente sigue siendo relativamente afilado, permitiendo así mediciones precisas en un rango limitado.

Christa Fluehmann y sus colegas del grupo de Jonathan Home en el Departamento de Física de ETH Zurich ahora han explorado el uso de tales medidas modulares de posición y momento para estudiar el comportamiento dinámico de un oscilador mecánico que consiste en un solo ión atrapado. Como informan en un documento que apareció en línea hoy en Revisión física X , utilizaron secuencias de múltiples mediciones periódicas de posición y momento, variando el período, podían controlar si una medición perturbaba o no el estado de la siguiente. A valores específicos del período, encontraron que tales mediciones pueden prevenir perturbaciones, mientras que otras elecciones produjeron una fuerte perturbación. La observación de perturbaciones es una señal de que el ion único muestra un comportamiento mecánico cuántico; para un oscilador clásico, Se espera que las medidas modulares sean siempre imperturbables.

La capacidad de ajustar el grado de perturbación entre mediciones posteriores abre la posibilidad de realizar pruebas fundamentales de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica se puede distinguir de la física clásica considerando las conexiones causales (cuánto perturba una medición a la siguiente) y también observando las correlaciones entre las mediciones. Fluehmann y col. explore este último midiendo correlacionadores de tiempo entre las mediciones secuenciales y utilícelos para violar la llamada desigualdad de Leggett-Garg (que también es intrínsecamente imposible con un sistema puramente clásico).

En este caso, algunas de las violaciones no pueden explicarse por la perturbación entre mediciones posteriores. La relación entre perturbación y violaciones de la desigualdad de Leggett-Garg es sutil, pero cualquiera de los métodos certifica la naturaleza cuántica de los estados del oscilador. En efecto, estos estados se encuentran entre los estados de oscilador cuántico más complejos producidos hasta la fecha. Generalizan el famoso experimento mental del gato de Schroedinger en ocho estados mesoscópicos distintos, análogo a un gato que se encuentra en distintas etapas de la enfermedad en lugar de estar simplemente muerto o vivo.

Con vistas a las implicaciones prácticas, La medición modular de la posición y el momento son componentes centrales de una serie de propuestas de protocolos de medición de precisión y computación cuántica que explotan funciones periódicas de posición y momento para escapar del principio de incertidumbre de Heisenberg. El trabajo de Fluehmann y sus compañeros de trabajo proporciona un ingrediente fundamental, la medición, para tales aplicaciones, acercándolos así a su alcance.