En un nuevo artículo publicado en Science , los becarios de JILA y NIST Ana María Rey y James Thompson, el becario de JILA Murray Holland y sus equipos propusieron una forma de superar este retroceso atómico demostrando un nuevo tipo de interacción atómica llamada interacción de intercambio de impulso, donde los átomos intercambian sus impulsos mediante el intercambio correspondiente. fotones.

Utilizando una cavidad (un espacio cerrado compuesto de espejos), los investigadores observaron que el retroceso atómico era amortiguado por átomos que intercambiaban estados de energía dentro del espacio confinado. Este proceso creó una absorción colectiva de energía y dispersó el retroceso entre toda la población de partículas.

Con estos resultados, otros investigadores pueden diseñar cavidades para amortiguar el retroceso y otros efectos externos en una amplia gama de experimentos, lo que puede ayudar a los físicos a comprender mejor los sistemas complejos o descubrir nuevos aspectos de la física cuántica. Un diseño de cavidad mejorado también podría permitir simulaciones más precisas de superconductividad, como en el caso del cruce de Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) o de sistemas físicos de alta energía.

Por primera vez, se observó que la interacción intercambio de impulso induce una dinámica de torsión en un eje (OAT), un aspecto del entrelazamiento cuántico, entre estados de impulso atómico. OAT actúa como una trenza cuántica para entrelazar diferentes moléculas, ya que cada estado cuántico se retuerce y se conecta a otra partícula.

Anteriormente, la OAT solo se observaba en estados internos atómicos, pero ahora, con estos nuevos resultados, se cree que la OAT inducida por el intercambio de impulso podría ayudar a reducir el ruido cuántico de múltiples átomos. Ser capaz de entrelazar estados de impulso también podría conducir a mejoras en algunas mediciones físicas realizadas por sensores cuánticos, como las ondas gravitacionales.

Aprovechando una rejilla de densidad

En este nuevo estudio, inspirado en investigaciones anteriores de Thompson y su equipo, los investigadores examinaron los efectos de la superposición cuántica, que permite que partículas como fotones o electrones existan en múltiples estados cuánticos simultáneamente.

"En este [nuevo] proyecto, todos los átomos comparten la misma etiqueta de espín; la única diferencia es que cada átomo está en una superposición entre dos estados de impulso", explicó el estudiante graduado y primer autor Chengyi Luo.

Los investigadores descubrieron que podían controlar mejor el retroceso atómico obligando a los átomos a intercambiar fotones y sus energías asociadas. De manera similar a un juego de balón prisionero, un átomo puede "lanzar" una "bola de balón prisionero" (un fotón) y retroceder en la dirección opuesta. Esa "bola perdida" puede ser atrapada por un segundo átomo, lo que puede provocar la misma cantidad de retroceso para este segundo átomo. Esto anula los dos retrocesos experimentados por ambos átomos y los promedia para todo el sistema de cavidades.

Cuando dos átomos intercambian sus diferentes energías fotónicas, el paquete de ondas resultante (la distribución de ondas de un átomo) en superposición forma un gráfico de momento conocido como rejilla de densidad, que parece un peine de dientes finos.

Luo añadió:"La formación de la red de densidad indica que dos estados de impulso [dentro del átomo] son ​​'coherentes' entre sí de modo que podrían interferir [entre sí]". Los investigadores descubrieron que el intercambio de fotones entre átomos provocaba una unión de los paquetes de ondas de los dos átomos, por lo que ya no eran mediciones separadas.

Los investigadores podrían inducir el intercambio de impulso explorando la interacción entre la rejilla de densidad y la cavidad óptica. Debido a que los átomos intercambiaron energía, cualquier retroceso al absorber un fotón se dispersó entre toda la comunidad de átomos en lugar de partículas individuales.

Amortiguando el desplazamiento Doppler

Usando este nuevo método de control, los investigadores descubrieron que también podían usar este sistema de amortiguación de retroceso para ayudar a mitigar un problema de medición separado:el cambio Doppler.

El cambio Doppler, un fenómeno de la física clásica, explica por qué el sonido de una sirena o la bocina de un tren cambia de tono cuando pasa cerca de un oyente o por qué ciertas estrellas aparecen rojas o azules en las imágenes del cielo nocturno:es el cambio en la frecuencia de la onda a medida que la fuente y el observador se acercan (o se alejan) uno del otro. En física cuántica, el desplazamiento Doppler describe el cambio de energía de una partícula debido al movimiento relativo.

Para investigadores como Luo, el desplazamiento Doppler puede ser un desafío a superar para obtener una medición precisa. "Al absorber fotones, el retroceso atómico provocará un desplazamiento Doppler de la frecuencia del fotón, lo cual es un gran problema cuando se habla de espectroscopia de precisión", explicó. Al simular su nuevo método, los investigadores descubrieron que podía superar el sesgo de medición debido al desplazamiento Doppler.

Intercambio de impulso entrelazado

Los investigadores también descubrieron que el intercambio de impulso entre estos átomos podría utilizarse como un tipo de entrelazamiento cuántico. Como dijo John Wilson, un estudiante de posgrado del grupo de Holland:"Cuando un átomo cae, su movimiento modifica la frecuencia de la cavidad. Eso, a su vez, anima a otros átomos a sentir colectivamente ese mecanismo de retroalimentación y los empuja a correlacionar su movimiento a través del tambaleo compartido."

Para probar aún más este "entrelazamiento", los investigadores crearon una separación mayor entre los estados de impulso de los átomos y luego indujeron el intercambio de impulso. Los investigadores descubrieron que los átomos seguían comportándose como si estuvieran conectados. "Esto indica que los dos estados de impulso realmente oscilan entre sí como si estuvieran conectados por un resorte", añadió Luo.

De cara al futuro, los investigadores planean investigar más a fondo esta nueva forma de entrelazamiento cuántico, con la esperanza de comprender mejor cómo se puede utilizar para mejorar varios tipos de dispositivos cuánticos.