Ilustración artística de una nube de átomos con pares de partículas enredadas entre sí, representado por las líneas amarillo-azul. Crédito de la imagen:© ICFO Crédito:ICFO
El entrelazamiento cuántico es un proceso mediante el cual objetos microscópicos como electrones o átomos pierden su individualidad para coordinarse mejor entre sí. El entrelazamiento está en el corazón de las tecnologías cuánticas que prometen grandes avances en informática, comunicaciones y detección, por ejemplo, detección de ondas gravitacionales.
Los estados entrelazados son famosos por su frágil:en la mayoría de los casos, incluso una pequeña perturbación deshará el enredo. Por esta razón, Las tecnologías cuánticas actuales se esfuerzan por aislar los sistemas microscópicos con los que trabajan. y normalmente operan a temperaturas cercanas al cero absoluto. El equipo de ICFO, a diferencia de, calentó una colección de átomos a 450 Kelvin en un experimento reciente, millones de veces más calientes que la mayoría de los átomos utilizados para la tecnología cuántica. Es más, los átomos individuales eran cualquier cosa menos aislados; chocaron entre sí cada pocos microsegundos, y cada colisión hacía que sus electrones giraran en direcciones aleatorias.
Los investigadores utilizaron un láser para controlar la magnetización de este calor, gas caótico. La magnetización es causada por los electrones que giran en los átomos, y proporciona una forma de estudiar el efecto de las colisiones y detectar enredos. Lo que observaron los investigadores fue una enorme cantidad de átomos entrelazados, unas 100 veces más que nunca antes observado. También vieron que el entrelazamiento no es local:involucra átomos que no están cerca unos de otros. Entre dos átomos entrelazados hay miles de otros átomos, muchos de los cuales están entrelazados con otros átomos, en un gigante, Estado enredado caliente y desordenado.
Lo que también vieron, como Jia Kong, primer autor del estudio, recuerda, "es que si paramos la medición, el entrelazamiento permanece durante aproximadamente 1 milisegundo, lo que significa que 1000 veces por segundo, se está entrelazando un nuevo lote de 15 billones de átomos. Y debes pensar que 1 ms es un tiempo muy largo para los átomos, el tiempo suficiente para que se produzcan unas 50 colisiones aleatorias. Esto muestra claramente que el enredo no es destruido por estos eventos aleatorios. Este es quizás el resultado más sorprendente del trabajo ".
La observación de este estado enredado caliente y desordenado allana el camino para la detección de campos magnéticos ultrasensibles. Por ejemplo, en magnetoencefalografía (imágenes magnéticas del cerebro), una nueva generación de sensores utiliza estos mismos Gases atómicos de alta densidad para detectar los campos magnéticos producidos por la actividad cerebral. Los nuevos resultados muestran que el entrelazamiento puede mejorar la sensibilidad de esta técnica, que tiene aplicaciones en neurocirugía y ciencia del cerebro fundamental.
El profesor ICREA en ICFO Morgan Mitchell dice:"Este resultado es sorprendente, una desviación real de lo que todo el mundo espera del enredo. Esperamos que este tipo de estado entrelazado gigante conduzca a un mejor rendimiento del sensor en aplicaciones que van desde imágenes cerebrales hasta automóviles autónomos y búsquedas de materia oscura ".
Imagen de la celda de vidrio donde el rubidio metálico se mezcla con gas nitrógeno y se calienta hasta 450 grados Kelvin. A esa alta temperatura, el metal se vaporiza, creando átomos de rubidio libres que se difunden dentro de la célula. Crédito de la imagen:© ICFO Crédito:ICFO
Una camiseta de spinning y QND
Un singlete de espín es una forma de entrelazamiento en el que los espines de múltiples partículas, su momento angular intrínseco, suman 0, lo que significa que el sistema tiene un momento angular total cero. En este estudio, los investigadores aplicaron la medición de no demolición cuántica (QND) para extraer la información del giro de billones de átomos.
La técnica pasa fotones láser con una energía específica a través del gas de los átomos. Los fotones con esta energía precisa no excitan a los átomos, pero ellos mismos se ven afectados por el encuentro. Los espines de los átomos actúan como imanes para rotar la polarización de la luz. Midiendo cuánto ha cambiado la polarización de los fotones después de pasar a través de la nube, los investigadores pueden determinar el giro total del gas de los átomos.
El régimen SERF
Los magnetómetros de corriente operan en un régimen que se llama SERF, lejos de las temperaturas cercanas al cero absoluto que los investigadores suelen emplear para estudiar los átomos entrelazados. En este régimen, cualquier átomo experimenta muchas colisiones aleatorias con otros átomos vecinos, haciendo de las colisiones el efecto más importante sobre el estado del átomo.
Además, porque están en un medio caliente en lugar de uno ultrafrío, las colisiones aleatorizan rápidamente el espín de los electrones en cualquier átomo dado. El experimento muestra, asombrosamente, que este tipo de perturbación no rompe los estados entrelazados; simplemente pasa el entrelazamiento de un átomo a otro.
