Como directores de una sinfonía espeluznante, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han "entrelazado" dos pequeños tambores mecánicos y han medido con precisión sus propiedades cuánticas vinculadas. Los pares entrelazados como este podrían algún día realizar cálculos y transmitir datos en redes cuánticas a gran escala.

El equipo del NIST utilizó pulsos de microondas para atraer a los dos pequeños tambores de aluminio a una versión cuántica del Lindy Hop. con un compañero moviéndose en un patrón tranquilo y tranquilo mientras el otro se movía un poco más. Los investigadores analizaron señales similares a radares para verificar que los pasos de los dos tambores formaran un patrón entrelazado, un dúo que sería imposible en el mundo clásico cotidiano.

Lo nuevo no es tanto el baile en sí, sino la capacidad de los investigadores para medir el ritmo de los tambores. subiendo y bajando por solo una cuadrillonésima parte de un metro, y verificar su frágil enredo detectando sutiles relaciones estadísticas entre sus movimientos.

La investigación se describe en la edición del 7 de mayo de Ciencias .

"Si analiza los datos de posición e impulso de los dos tambores de forma independiente, cada uno simplemente se ve caliente, ", Dijo el físico del NIST John Teufel." Pero mirándolos juntos, podemos ver que lo que parece un movimiento aleatorio de un tambor está altamente correlacionado con el otro, de una manera que solo es posible a través del entrelazamiento cuántico ".

La mecánica cuántica se concibió originalmente como el libro de reglas para la luz y la materia a escalas atómicas. Sin embargo, En los últimos años, los investigadores han demostrado que las mismas reglas se pueden aplicar a objetos cada vez más grandes, como los tambores. Su movimiento de ida y vuelta los convierte en un tipo de sistema conocido como oscilador mecánico. Estos sistemas se enredaron por primera vez en el NIST hace aproximadamente una década, y en ese caso los elementos mecánicos eran átomos individuales.

Desde entonces, El grupo de investigación de Teufel ha estado demostrando el control cuántico de membranas de aluminio en forma de tambor suspendidas sobre esteras de zafiro. Según estándares cuánticos, los tambores del NIST son enormes, 20 micrómetros de ancho por 14 micrómetros de largo y 100 nanómetros de espesor. Cada uno pesa alrededor de 70 picogramos, que corresponde a aproximadamente 1 billón de átomos.

Enredar objetos masivos es difícil porque interactúan fuertemente con el medio ambiente, que puede destruir delicados estados cuánticos. El grupo de Teufel desarrolló nuevos métodos para controlar y medir el movimiento de dos tambores simultáneamente. Los investigadores adaptaron una técnica demostrada por primera vez en 2011 para enfriar un solo tambor al cambiar de señales de microondas estables a pulsadas para optimizar por separado los pasos de enfriamiento. entrelazando y midiendo los estados. Para analizar rigurosamente el entrelazamiento, Los experimentales también trabajaron más de cerca con los teóricos, una alianza cada vez más importante en el esfuerzo global para construir redes cuánticas.

La batería NIST está conectada a un circuito eléctrico y encerrada en una cavidad enfriada criogénicamente. Cuando se aplica un pulso de microondas, el sistema eléctrico interactúa y controla las actividades de los tambores, que puede sostener estados cuánticos como el entrelazamiento durante aproximadamente un milisegundo, mucho tiempo en el mundo cuántico.

Para los experimentos, Los investigadores aplicaron dos pulsos de microondas simultáneos para enfriar los tambores, dos pulsos más simultáneos para enredar los tambores, y dos pulsos finales para amplificar y registrar las señales que representan los estados cuánticos de los dos tambores. Los estados están codificados en un campo de microondas reflejado, similar al radar. Los investigadores compararon los reflejos con el pulso de microondas original para determinar la posición y el impulso de cada tambor.

Para enfriar los tambores los investigadores aplicaron pulsos a una frecuencia por debajo de las vibraciones naturales de la cavidad. Como en el experimento de 2011, los golpes de tambor convirtieron los fotones aplicados a la frecuencia más alta de la cavidad. Estos fotones se filtraron fuera de la cavidad mientras se llenaba. Cada fotón que partía llevaba consigo una unidad mecánica de energía:un fonón, o un cuanto — del movimiento del tambor. Esto eliminó la mayor parte del movimiento del tambor relacionado con el calor.

Para crear un enredo, los investigadores aplicaron pulsos de microondas entre las frecuencias de los dos tambores, más alto que el tambor 1 y más bajo que el tambor 2. Estos pulsos enredaron los fonones del tambor 1 con los fotones de la cavidad, generando pares de fotón-fonón correlacionados. Los pulsos también enfriaron más el tambor 2, a medida que los fotones que abandonaban la cavidad fueron reemplazados por fonones. Lo que quedaba eran en su mayoría pares de fonones entrelazados compartidos entre los dos tambores.

Para enredar los pares de fonones, la duración de los pulsos fue crucial. Los investigadores descubrieron que estos pulsos de microondas debían durar más de 4 microsegundos, idealmente 16,8 microsegundos, para enredar fuertemente los fonones. Durante este período de tiempo, el enredo se hizo más fuerte y el movimiento de cada tambor aumentó porque se movían al unísono. una especie de refuerzo comprensivo, Dijo Teufel.

Los investigadores buscaron patrones en las señales devueltas, o datos de radar. En el mundo clásico, los resultados serían aleatorios. Trazar los resultados en un gráfico reveló patrones inusuales que sugerían que los tambores estaban enredados. Para estar seguro los investigadores realizaron el experimento 10, 000 veces y aplicó una prueba estadística para calcular las correlaciones entre varios conjuntos de resultados, como las posiciones de los dos tambores.

"Mas o menos, medimos qué tan correlacionadas están dos variables, por ejemplo, si midió la posición de un tambor, ¿Qué tan bien podrías predecir la posición del otro tambor? ", Dijo Teufel." Si no tienen correlaciones y ambos están perfectamente fríos, sólo se podía adivinar la posición media del otro tambor con una incertidumbre de medio cuanto de movimiento. Cuando se enredan, podemos hacerlo mejor, con menos incertidumbre. El enredo es la única forma en que esto es posible ".

"Para verificar que haya entrelazamiento, hacemos una prueba estadística llamada 'testigo de enredo, '' ', Dijo el teórico del NIST, Scott Glancy. "Observamos correlaciones entre las posiciones y los impulsos de los tambores, y si esas correlaciones son más fuertes que las que puede producir la física clásica, sabemos que los tambores deben haberse enredado. Las señales de radar miden la posición y el impulso simultáneamente, pero el principio de incertidumbre de Heisenberg dice que esto no se puede hacer con perfecta precisión. Por lo tanto, pagamos un costo de aleatoriedad adicional en nuestras medidas. Gestionamos esa incertidumbre mediante la recopilación de un gran conjunto de datos y la corrección de la incertidumbre durante nuestro análisis estadístico ".

Altamente enredado Los sistemas cuánticos masivos como este podrían servir como nodos de redes cuánticas de larga duración. Las mediciones de radar de alta eficiencia utilizadas en este trabajo podrían ser útiles en aplicaciones como la teletransportación cuántica (transferencia de datos sin un enlace físico) o el intercambio de entrelazamientos entre nodos de una red cuántica. porque estas aplicaciones requieren que se tomen decisiones basadas en mediciones de los resultados del entrelazamiento. Los sistemas entrelazados también podrían usarse en pruebas fundamentales de mecánica cuántica y detección de fuerza más allá de los límites cuánticos estándar.