Los físicos de JILA han aumentado la potencia de la señal de su "reloj de pinza" atómico y han medido su rendimiento en parte por primera vez. demostrando una alta estabilidad cercana a lo mejor de la última generación de relojes atómicos.

El reloj inusual, que utiliza pinzas láser para atrapar, controlar y aislar átomos, ofrece posibilidades únicas para mejorar el rendimiento del reloj utilizando los trucos de la física cuántica, así como aplicaciones futuras en el procesamiento de información cuántica, simulación cuántica, y ciencia de la medición.

Descrito en un Naturaleza artículo publicado en línea el 16 de diciembre de la plataforma del reloj es una rejilla rectangular de aproximadamente 150 átomos de estroncio confinados individualmente por pinzas ópticas, que son creados por un rayo láser dirigido a través de un microscopio y desviado en 320 puntos. Esta versión mejorada del reloj tiene hasta 30 veces más átomos que el diseño preliminar presentado el año pasado. debido principalmente al uso de varios láseres diferentes, incluyendo uno verde para atrapar los átomos y dos rojos para hacerlos "tictac".

Una vez que el láser comenzó a hacer tictac en los átomos en los experimentos descritos en el documento, una selección de estos átomos se mantuvo vibrando al unísono a la misma frecuencia durante más de 30 segundos, un registro de lo que se llama coherencia cuántica. La gran cantidad de átomos y sus largos tiempos de coherencia dieron como resultado una excelente estabilidad del reloj de 5,2 x 10-17 en un tiempo promedio de 1 segundo. Esto significa que la duración de cada "tic" del reloj coincide con los demás en aproximadamente 1,9 quintillonésimas de segundo.

Los investigadores midieron la estabilidad comparando dos regiones diferentes dentro del reloj de las pinzas, señalando que este rendimiento se acerca al del reloj de celosía de estroncio 3-D de JILA, para lo cual se desarrolló inicialmente el método de comparación interna. La estabilidad del sistema 3-D se verificó más tarde con una comparación más convencional entre dos relojes de celosía óptica.

JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

"Uno de los avances importantes en este trabajo fue que descubrimos un método para preparar muchos átomos manteniendo la coherencia cuántica, "Adam Kaufman, físico de NIST / JILA, dijo." Esto fue clave para permitir un aumento de 30 veces en el número de átomos con respecto al año pasado, lo que también permitió números de átomos suficientes para autocomparaciones y la observación del largo tiempo de coherencia. Pero, más allá de los relojes, esta combinación de escalabilidad, coherencia, y el control de una sola partícula también configura este sistema para el procesamiento y la simulación de información cuántica ".

Los investigadores de NIST y JILA han estado construyendo relojes atómicos durante muchos años. Los últimos relojes funcionan a frecuencias ópticas, que son mucho más altos que los estándares de tiempo actuales basados ​​en frecuencias de microondas. La investigación está ayudando a prepararse para la futura redefinición internacional del segundo, que se ha basado en el átomo de cesio desde 1967. Los relojes ópticos también tienen aplicaciones más allá del cronometraje, como mejorar la ciencia de la información cuántica.

El reloj de pinza combina algunas de las características más deseables de los relojes ópticos que funcionan actualmente. Por ejemplo, como pinzas de metal ordinarias, las pinzas láser ofrecen un control preciso de, en este caso, átomos individuales. El reloj de pinza también proporciona las señales fuertes y la estabilidad que proporcionan muchos átomos, cientos ahora y apuntando a más de mil pinzas en el futuro.

Para hacer el reloj Los investigadores cargan una nube fría de átomos en su estado de energía más bajo en una forma rectangular, Matriz bidimensional de 320 pinzas (16 por 20) formada por un láser verde. Las pinzas se superponen con dos rayos láser cruzados que crean una onda estacionaria llamada celosía óptica. La celosía óptica reduce los requisitos de energía de las pinzas a 1/30 de su nivel original. Una nueva nube de átomos rellena las pinzas cada pocos segundos. Un proceso de filtrado deja los sitios de las pinzas con un átomo o vacíos; con cada ejecución del experimento, cada pinza tiene aproximadamente un 50% de posibilidades de contener un solo átomo.

Luego, los investigadores apagan el láser verde y la celosía y cambian a un láser de pinza roja, que requiere más potencia pero favorece el comportamiento del reloj. Los átomos sostenidos por las pinzas son excitados por un "láser de reloj" rosa aplicado perpendicularmente a la luz de las pinzas, junto con un campo magnético. El reloj láser excita los átomos, que comienzan a marcar entre dos niveles de energía internos. Finalmente, las pinzas verdes se vuelven a encender y una cámara registra el estado de los átomos; emiten fluorescencia solo en el nivel de energía bajo, por lo que el tic-tac se registra como luz intermitente y se puede convertir en una señal de sincronización.

Más allá del cronometraje, Los investigadores de JILA están entusiasmados con el uso de la plataforma de pinzas para otras aplicaciones, como la computación cuántica y la simulación y los sensores cuánticos programables. Se pueden utilizar pinzas ópticas para "enredar" átomos, un fenómeno cuántico que vincula sus propiedades incluso a distancia. Los estados cuánticos especiales como el entrelazamiento pueden mejorar la sensibilidad de medición de relojes y sensores y también podrían usarse en operaciones de lógica cuántica y simulaciones de procesos cuánticos.

"Creo que deberíamos mirar más allá de los relojes para esta nueva plataforma, "NIST / JILA Fellow y coautor Jun Ye dijo." Con la capacidad de poder abordar cada átomo individual, se puede llevar la programabilidad a la detección cuántica y al procesamiento de la información, una característica que será poderosa para optimizar el sistema para tareas específicas ".