Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han aprovechado el fenómeno de la "compresión cuántica" para amplificar y medir los movimientos de billonésimas de metro de un ion de magnesio atrapado (átomo con carga eléctrica).

Descrito en la edición del 21 de junio de Ciencias , NIST es rápido, El método de compresión reversible podría mejorar la detección de campos eléctricos extremadamente débiles en aplicaciones científicas de superficie. por ejemplo, o detectar la absorción de cantidades muy pequeñas de luz en dispositivos como relojes atómicos. La técnica también podría acelerar las operaciones en una computadora cuántica.

"Al apretar, podemos medir con mayor sensibilidad de la que se podría lograr sin efectos cuánticos, ", dijo el autor principal, Shaun Burd.

“Demostramos uno de los niveles más altos de compresión cuántica jamás reportados y lo usamos para amplificar pequeños movimientos mecánicos, "El físico del NIST Daniel Slichter dijo." Somos 7,3 veces más sensibles a estos movimientos de lo que sería posible sin el uso de esta técnica ".

Aunque exprimir una naranja puede hacer un lío jugoso, la compresión cuántica es un proceso muy preciso, que mueve la incertidumbre de la medición de un lugar a otro.

Imagina que estás sosteniendo un globo largo y el aire en su interior representa incertidumbre. La compresión cuántica es como pellizcar el globo en un extremo para empujar aire hacia el otro extremo. Mueve la incertidumbre de un lugar donde desea mediciones más precisas, a otro lugar, donde se puede vivir con menos precisión, manteniendo la misma incertidumbre total del sistema.

En el caso del ion magnesio, las mediciones de su movimiento están normalmente limitadas por las llamadas fluctuaciones cuánticas en la posición y el momento del ion, que ocurren todo el tiempo, incluso cuando el ion tiene la energía más baja posible. Apretar manipula estas fluctuaciones, por ejemplo, empujando la incertidumbre de la posición al impulso cuando se desea mejorar la sensibilidad de la posición.

En el método de NIST, un solo ion se mantiene en el espacio 30 micrómetros (millonésimas de metro) por encima de un chip de zafiro plano cubierto con electrodos de oro que se utilizan para atrapar y controlar el ion. Se aplican pulsos de láser y microondas para calmar los electrones y el movimiento del ión a sus estados de menor energía. Luego, el movimiento se aprieta moviendo el voltaje en ciertos electrodos al doble de la frecuencia natural del movimiento de ida y vuelta del ion. Este proceso dura solo unos pocos microsegundos.

Después de apretar, un pequeño Se aplica una "señal de prueba" de campo eléctrico oscilante al ion para que se mueva un poco en el espacio tridimensional. Para ser amplificado este movimiento adicional debe estar "sincronizado" con la presión.

Finalmente, se repite el paso de apriete, pero ahora con los voltajes de los electrodos exactamente fuera de sincronía con los voltajes de compresión originales. Esta compresión desincronizada invierte la compresión inicial; sin embargo, al mismo tiempo, amplifica el pequeño movimiento causado por la señal de prueba. Cuando este paso esté completo, la incertidumbre en el movimiento de los iones vuelve a su valor original, pero el movimiento de ida y vuelta del ion es mayor que si la señal de prueba se hubiera aplicado sin ninguno de los pasos de compresión.

Para obtener los resultados, se aplica un campo magnético oscilante para mapear o codificar el movimiento del ión en su estado electrónico de "giro", que luego se mide haciendo brillar un láser sobre el ion y observando si emite fluorescencia.

El uso de una señal de prueba permite a los investigadores del NIST medir cuánta amplificación proporciona su técnica. En una aplicación de detección real, la señal de prueba sería reemplazada por la señal real a amplificar y medir.

El método NIST puede amplificar y medir rápidamente los movimientos iónicos de solo 50 picómetros (billonésimas de metro), que es aproximadamente una décima parte del tamaño del átomo más pequeño (hidrógeno) y aproximadamente una centésima parte del tamaño de las fluctuaciones cuánticas no comprimidas. Incluso los movimientos más pequeños se pueden medir repitiendo el experimento más veces y promediando los resultados. La técnica de amplificación basada en compresión permite detectar movimientos de un tamaño determinado con 53 veces menos mediciones de las que se necesitarían de otro modo.

La compresión se ha logrado previamente en una variedad de sistemas físicos, incluyendo iones, pero el resultado de NIST representa una de las mejoras de detección basadas en compresión más grandes jamás reportadas.

El nuevo método de compresión de NIST puede aumentar la sensibilidad de medición en sensores cuánticos y podría usarse para crear entrelazamientos más rápidamente. que vincula las propiedades de las partículas cuánticas, acelerando así las operaciones de simulación cuántica y computación cuántica. Los métodos también podrían usarse para generar estados de movimiento exóticos. El método de amplificación es aplicable a muchos otros objetos mecánicos vibrantes y otras partículas cargadas como los electrones.