Si bien los relojes atómicos ya son los dispositivos de cronometraje más precisos del universo, los físicos están trabajando arduamente para mejorar aún más su precisión. Una forma es aprovechar los estados de espín comprimido en los átomos del reloj.
Los estados de espín comprimido son estados entrelazados en los que las partículas del sistema conspiran para cancelar su ruido cuántico intrínseco. Estos estados, por tanto, ofrecen grandes oportunidades para la metrología mejorada cuántica, ya que permiten mediciones más precisas. Sin embargo, los estados de espín comprimido en las transiciones ópticas deseadas con poco ruido exterior han sido difíciles de preparar y mantener.
Una forma particular de generar un estado de espín comprimido, o compresión, es colocando los átomos del reloj en una cavidad óptica, un conjunto de espejos donde la luz puede rebotar muchas veces. En la cavidad, los átomos pueden sincronizar sus emisiones de fotones y emitir un estallido de luz mucho más brillante que el de cualquier átomo por separado, un fenómeno conocido como superrradiancia. Dependiendo de cómo se utilice la superradiancia, puede provocar un entrelazamiento o, alternativamente, puede alterar el estado cuántico deseado.
En un estudio anterior, realizado en colaboración entre los becarios de JILA y NIST, Ana María Rey y James Thompson, los investigadores descubrieron que los átomos multinivel (con más de dos estados de energía internos) ofrecen oportunidades únicas para aprovechar la emisión superradiante al inducir a los átomos a cancelar las emisiones de cada uno y permanecer en la oscuridad.
Ahora, informado en un par de nuevos artículos publicados en Physical Review Letters y Revisión física A , Rey y su equipo descubrieron un método para no solo crear estados oscuros en una cavidad, sino, más importante aún, hacer que estos estados giren comprimidos. Sus hallazgos podrían abrir oportunidades notables para generar relojes entrelazados, lo que podría ampliar la frontera de la metrología cuántica de una manera fascinante.
Durante varios años, Rey y su equipo han estudiado la posibilidad de aprovechar la superradiancia formando estados oscuros dentro de una cavidad. Debido a que los estados oscuros son configuraciones únicas en las que los caminos habituales de emisión de luz interfieren destructivamente, estos estados no emiten luz. Rey y su equipo han demostrado que se pueden realizar estados oscuros cuando los átomos preparados en ciertos estados iniciales se colocan dentro de una cavidad.
Así preparados, los estados cuánticos podrían permanecer inmunes a los efectos de la superradiancia o la emisión de luz en la cavidad. Los átomos aún podrían emitir luz fuera de la cavidad, pero a un ritmo mucho más lento que la superradiancia.
El ex investigador postdoctoral de JILA, Asier Piñeiro Orioli, investigador principal del estudio anterior con Thompson y también colaborador de los dos estudios publicados recientemente, encontró una forma sencilla de comprender la aparición de un estado oscuro en una cavidad en términos de lo que llamaron un potencial superradiante.
Rey dice:"Podemos imaginar el potencial superradiante como una montaña rusa en la que viajan los átomos. A medida que caen colina abajo, emiten luz colectivamente, pero pueden quedarse atascados cuando llegan a un valle. En los valles, los átomos forman la oscuridad". estados y deja de emitir luz en la cavidad."
En su trabajo anterior con Thompson, los investigadores de JILA descubrieron que los estados oscuros deben estar al menos un poco entrelazados.
"La pregunta que pretendíamos abordar en los dos nuevos trabajos es si pueden ser a la vez oscuros y muy enredados", explica el primer autor Bhuvanesh Sundar, ex investigador postdoctoral de JILA. "Lo emocionante es que no sólo descubrimos que la respuesta es sí, sino que este tipo de estados comprimidos son bastante sencillos de preparar".
En los nuevos estudios, los investigadores descubrieron dos formas posibles de preparar los átomos en estados de espín comprimido altamente entrelazados. Una forma era hacer brillar los átomos con un láser para energizarlos por encima de su estado fundamental y luego colocarlos en puntos especiales en el potencial superradiante, también conocidos como puntos de silla. En los puntos de silla, los investigadores dejaron que los átomos se relajaran en la cavidad apagando el láser y, curiosamente, los átomos remodelaron su distribución de ruido y quedaron muy comprimidos.
"Los puntos de silla son valles donde el potencial tiene curvatura cero y pendiente cero simultáneamente", explica Rey. "Estos son puntos especiales porque los átomos son oscuros pero están a punto de volverse inestables y, por lo tanto, tienden a remodelar su distribución de ruido hasta quedar comprimidos".
El otro método propuesto implicaba la transferencia de estados superradiantes a estados oscuros. Aquí, el equipo también encontró otros puntos especiales donde los átomos están cerca de puntos "brillantes" especiales, no en un valle de la montaña rusa, sino en puntos con curvatura cero, donde la interacción entre la superradiancia y un láser externo genera compresión del espín. .
"Lo bueno es que la compresión del giro generada en estos puntos brillantes se puede transferir a un estado oscuro donde, después de una alineación adecuada, podemos apagar el láser y preservar la compresión", añade Sundar.
Esta transferencia funciona primero impulsando los átomos hacia un valle de potencial superradiante y luego usando láseres con polarizaciones apropiadas (o direcciones de oscilaciones de luz) para alinear coherentemente las direcciones exprimidas, haciendo que los estados exprimidos sean inmunes a la superradiancia.
La transferencia de estados comprimidos a estados oscuros no sólo preservó las características de ruido reducido de los estados comprimidos, sino que también aseguró su supervivencia en ausencia de ser impulsados por un láser externo, un factor crucial para las aplicaciones prácticas en metrología cuántica.
Si bien el estudio publicado en Physical Review Letters utilizó solo una polarización de la luz láser para inducir la compresión del espín, generando dos modos comprimidos, la Revisión Física A El artículo llevó esta simulación más allá al utilizar ambas polarizaciones de la luz láser, lo que dio como resultado cuatro modos de giro comprimido (dos modos para cada polarización).
"En estos dos artículos, consideramos átomos multinivel con muchos niveles internos", dice Piñeiro Orioli, "y tener muchos niveles internos es más difícil de simular que tener dos niveles, lo que a menudo se estudia en la literatura. Así que desarrollamos un conjunto de herramientas para resolver estos sistemas multinivel Desarrollamos una fórmula para calcular el entrelazamiento generado a partir del estado inicial."
Los hallazgos de estos estudios pueden tener implicaciones de gran alcance para los relojes atómicos. Al superar las limitaciones de la superradiancia mediante la generación de estados entrelazados oscuros, los físicos almacenan los estados entrelazados utilizando los átomos como memoria (lo que permite recuperar información de estos estados) o inyectan el estado entrelazado en una secuencia de reloj o interferómetro para análisis cuántico. -Medidas mejoradas.
Más información: Bhuvanesh Sundar et al, Exprimiendo átomos multinivel en estados oscuros mediante superradiancia de cavidad, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.033601. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2302.10828
Bhuvanesh Sundar et al, Expresión de cuatro modos disipativa impulsada de átomos multinivel en una cavidad óptica, Revisión física A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.013713. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.10717
Proporcionado por JILA
