Al sondear los efectos sutiles de la mecánica cuántica, Todos los parámetros del sistema y sus mediciones deben ajustarse con precisión para observar el resultado que espera. Entonces, ¿qué sucede cuando orienta todo hacia la detección de lo que menos espera? Investigadores del MIT y la Universidad de Purdue en los EE. UU. Tomaron este enfoque y descubrieron que podían amplificar señales cuánticas en un factor de 30 mientras cambiaban condicionalmente la fase relativa de un fotón de π / 80 a π / 2. Los resultados podrían proporcionar el eslabón perdido que acerca a varias tecnologías de redes cuánticas al uso práctico.

Los protocolos de tecnología cuántica generalmente apuntan a maximizar las fortalezas de interacción, pero preparar estos sistemas entrelazados puede resultar muy difícil. "Hicimos la pregunta, ¿Podemos convertir interacciones débiles en interacciones muy fuertes de alguna manera? ", explica Vladan Vuletic, Wolf Professor de Física en el MIT. "Usted puede, y el precio es, no ocurren a menudo ".

Los efectos que Vuletic y sus colegas observan dependen de los factores que alimentan los "valores esperados" de los experimentos cuánticos. Los valores de expectativa describen el resultado promedio de un escenario cuántico y equivalen al producto de cada valor posible y su probabilidad. Vuletic y sus colaboradores enfocaron sus estudios en escenarios donde el promedio está dominado por eventos raros, como una lotería en la que todos ganan una pequeña cantidad en promedio, aunque de hecho, solo unas pocas personas ganan grandes cantidades. En mecánica cuántica, la luz también toma a veces el camino menos transitado, y como muestran los investigadores, esto realmente puede marcar la diferencia.

Los investigadores habían estado observando las interacciones entre fotones, un fotón de señal y un fotón auxiliar, siguiendo diferentes caminos a través de un conjunto de átomos fríos en una cavidad. Cada fotón puede interactuar con los átomos, y esa interacción lleva la firma de cómo ha interactuado el otro fotón, dando una interacción indirecta entre los dos fotones. Las interacciones dejan señales reveladoras en el fotón, como un cambio de fase, que mientras cero en la resonancia se vuelve positivo o negativo lejos de la resonancia dependiendo de qué lado de la resonancia del sistema estén sintonizados los parámetros.

Mahdi Hosseini de la Universidad de Purdue explica que notaron un cambio de fase promedio ya que habían estado estudiando la interacción. "Recuerdo que Vladan hizo un cálculo una noche, y nos lo envió, y lo miramos, e inicialmente, Pensé que no podía funcionar "dice Hosseini. El cálculo sugirió resultados sorprendentes para un régimen en el que había una alta probabilidad de una medición de fotones auxiliares que está asociada con un cambio de fase bajo en el haz de señal (como podría ser el caso cerca de la resonancia). En las raras ocasiones en que esta no es la medida registrada para el fotón auxiliar, el desplazamiento de fase para el haz de señal debe ser grande para que el producto con la probabilidad baja aún cumpla con el valor esperado.

Qué es más, a través de este fenómeno, los parámetros seleccionados para medir el fotón auxiliar podrían afectar en gran medida el resultado del cambio de fase para el fotón de señal a pesar de las interacciones débiles entre los dos, algo que los investigadores describen como "control de fotones anunciado". Con una cuidadosa manipulación de los parámetros del sistema para ajustar el régimen de los experimentos, los investigadores pudieron observar los efectos que la teoría había predicho.

"Estábamos más emocionados que sorprendidos, "dice Hosseini." Ingenuamente, cuando miras el promedio, no espera ver ningún cambio de fase en la resonancia, ni siquiera un pequeño cambio de fase; esperas no ver ninguno. Pero resulta que al cambiar el proceso de medición, puedes cambiar esto a estados altamente interactivos, y eso fue sorprendente ".

Los investigadores señalan que los protocolos que también amplifican señales se han demostrado en otros sistemas a través de "amplificación silenciosa" y "mediciones débiles". Estos protocolos ofrecen mejoras por factores entre dos y cinco, con una probabilidad muy pequeña. "Si la fidelidad multiplicada por la probabilidad es mucho menor al 50%, no es realmente útil para detectar, por ejemplo, "explica Hosseini. Por el contrario, Hosseini, Vuletic y sus colaboradores pudieron demostrar cambios de fase hasta π / 2 donde el cambio de fase promedio es π / 80 y la amplificación del número de fotones por un factor de alrededor de 30. Si bien estos eventos siguen siendo raros, la probabilidad es más prometedora para aplicaciones prácticas.

"Antes, la gente había pensado en esta amplificación silenciosa y cualquier cambio de fase como campos completamente dispares, "agrega Vuletic." Hemos demostrado que es lo mismo, y puede tener un pequeño cambio de parámetros para pasar de los cambios de fase a la ganancia ".

Hay muchas tecnologías de redes cuánticas emergentes que se enfrentan a un obstáculo en ausencia de una tecnología práctica para amplificar señales. como la comunicación cuántica a larga distancia, o al conectar varias computadoras cuánticas, cada uno con un número manejable de qubits para aumentar la capacidad de procesamiento. "Las pérdidas y la decoherencia son siempre un problema, "dice Vuletic.

Si bien Vuletic ahora está trabajando en "superátomos" que pueden aumentar el acoplamiento de fotones, El trabajo de Hosseini está abordando el mundo más desordenado del estado sólido para replicar los fenómenos en cristales con iones de tierras raras. Estos sistemas no son tan limpios porque no es posible tener un conocimiento tan preciso del entorno alrededor de los iones como para conjuntos de átomos totalmente homogéneos. Sin embargo, si el principio puede demostrarse en estos sistemas, puede ofrecer una base más práctica para las aplicaciones e incluso multiplexar los efectos para sumar las probabilidades de cada escenario.

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