Históricamente, JILA (un instituto conjunto establecido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología [NIST] y la Universidad de Colorado Boulder) ha sido líder mundial en cronometraje de precisión utilizando relojes atómicos ópticos. Estos relojes aprovechan las propiedades intrínsecas de los átomos para medir el tiempo con precisión y exactitud incomparables, lo que representa un salto significativo en nuestra búsqueda por cuantificar la dimensión más esquiva:el tiempo.
Sin embargo, la precisión de estos relojes tiene límites fundamentales, incluido el "ruido de fondo", que se ve afectado por el "ruido de proyección cuántica" (QPN). "Esto proviene de las estadísticas de espín de los qubits individuales, de la naturaleza verdaderamente cuántica de los átomos que se están investigando", explicó Maya Miklos, estudiante graduada de JILA.
Las comparaciones de relojes de última generación, como las dirigidas por Jun Ye, miembro de JILA y NIST, se acercan cada vez más a este límite fundamental de ruido. Sin embargo, este límite se puede eludir generando entrelazamiento cuántico en las muestras atómicas, aumentando su estabilidad.
Ahora, el equipo de Ye, en colaboración con el miembro de JILA James K. Thompson, ha utilizado un proceso específico conocido como compresión de espín para generar entrelazamiento cuántico, lo que ha dado como resultado una mejora en el rendimiento del reloj que funciona a las 10 -17 nivel de estabilidad. Su novedosa configuración experimental, publicada en Nature Physics , también permitió a los investigadores comparar directamente dos conjuntos independientes de espín exprimido para comprender este nivel de precisión en la medición del tiempo, un nivel nunca antes alcanzado con un reloj de red óptica por espín exprimido.
El desarrollo de estos relojes atómicos ópticos mejorados tiene implicaciones de gran alcance. Más allá del ámbito del cronometraje, tienen ventajas potenciales para su uso en diversas exploraciones científicas, incluida la prueba de principios físicos fundamentales, la mejora de las tecnologías de navegación y posiblemente la contribución a la detección de ondas gravitacionales.
"Avanzar en el rendimiento del reloj óptico hasta y más allá de los límites fundamentales impuestos por la naturaleza ya es una búsqueda científica interesante", explicó el estudiante graduado de JILA, John Robinson, primer autor del artículo. "Cuando uno considera qué física se puede descubrir con la sensibilidad mejorada, se dibuja un panorama muy emocionante para el futuro."
Los relojes atómicos ópticos no funcionan a través de engranajes y péndulos, sino a través de ritmos orquestados entre los átomos y un láser de excitación.
QPN plantea un obstáculo fundamental para la precisión de estos relojes. Este fenómeno surge de la incertidumbre inherente presente en los sistemas cuánticos. En el contexto de los relojes atómicos ópticos, QPN se manifiesta como una perturbación sutil pero generalizada similar a un ruido de fondo que puede oscurecer la claridad de la medición del tiempo.
"Debido a que cada vez que se mide un estado cuántico, se proyecta en un nivel de energía discreto, el ruido asociado con estas mediciones se parece a lanzar un montón de monedas y contar si aparecen como cara o cruz", dijo Miklos.
"Entonces, obtienes esta ley de escalamiento de números grandes donde la precisión de tu medición aumenta con la raíz cuadrada de N, tu número de átomo. Cuantos más átomos agregues, mejor será la estabilidad de tu reloj. Sin embargo, hay Hay límites porque, más allá de ciertas densidades, puedes tener cambios de interacción dependientes de la densidad, que degradan la estabilidad de tu reloj".
También existen límites prácticos al número alcanzable de átomos en un reloj. Sin embargo, el entrelazamiento se puede utilizar como recurso cuántico para evitar este ruido de proyección. Miklos añadió:"Esa raíz cuadrada de la escala N se cumple si esas partículas no están correlacionadas. Si puede generar entrelazamiento en su muestra, puede alcanzar una escala óptima que aumente con N".
Para abordar el desafío planteado por QPN, los investigadores emplearon una técnica conocida como compresión de giro. En este proceso, los estados cuánticos de los átomos se ajustan delicadamente. Si bien las incertidumbres de una medición cuántica siempre obedecen al principio de incertidumbre de Heisenberg, estos espines se "comprimen" mediante intervenciones precisas, lo que reduce la incertidumbre en una dirección y la aumenta en otra.
Lograr la compresión del espín en relojes ópticos es un logro relativamente nuevo, pero en otros campos se han utilizado recursos entrelazados similares, como la luz comprimida. "LIGO [El Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser] ya empleó la compresión de estados de vacío para mejorar sus mediciones de longitudes de interferómetro para la detección de ondas gravitacionales", explicó el estudiante graduado de JILA, Yee Ming Tso.
Para lograr la compresión del espín, el equipo creó una novedosa configuración de laboratorio que comprende una red móvil unidimensional vertical que se cruza con una cavidad óptica (un resonador compuesto por dos espejos) a lo largo de la dirección horizontal. Los investigadores utilizaron los rayos láser de la red para mover los conjuntos atómicos hacia arriba y hacia abajo por toda la red como un ascensor, con algunos grupos de átomos, o subconjuntos, entrando en la cavidad.
Este proyecto se inspiró en una colaboración reciente entre el grupo de investigación Ye y el miembro de JILA Adam Kaufman, quien también había explorado la compresión de espín en otras configuraciones de laboratorio.
"Hasta este punto, la compresión del espín en relojes ópticos sólo se había implementado en experimentos de prueba de principio, donde el ruido del láser del reloj oscurecía la señal", dijo Robinson.
"Queríamos observar el impacto positivo del spin-squeezing directamente, por lo que convertimos la red óptica en este ascensor de modo que pudiéramos girar-squeezing de forma independiente y comparar múltiples subconjuntos y, de esta manera, eliminar el impacto negativo del spin-squeezing. reloj láser."
Esta configuración también permitió a los investigadores demostrar que el entrelazamiento cuántico sobrevivió durante el transporte de estos subconjuntos atómicos.
Utilizando la cavidad óptica, los investigadores manipularon los átomos para formar estados entrelazados y comprimidos por espín. Esto se logró midiendo las propiedades colectivas de los átomos en el método llamado "no demolición cuántica" (QND).
QND mide la propiedad de un sistema cuántico para que la medición no perturbe esa propiedad. Dos mediciones QND repetidas muestran el mismo ruido cuántico y, al tomar la diferencia, se puede disfrutar de la cancelación del ruido cuántico.
En un sistema acoplado átomo-cavidad, la interacción entre la luz que sondea la cavidad óptica y los átomos ubicados en la cavidad permitió a los investigadores proyectar los átomos en un estado de espín comprimido con un impacto reducido de la incertidumbre de QPN. Luego, los investigadores utilizaron la red en forma de ascensor para arrastrar un grupo independiente de átomos hacia la cavidad, formando un segundo conjunto comprimido por espín dentro del mismo aparato experimental.
Una innovación clave en este estudio fue la comparación directa de los dos subconjuntos atómicos. Gracias a la red vertical, los investigadores pudieron cambiar qué subconjuntos atómicos estaban en la cavidad, comparando directamente su rendimiento midiendo alternativamente el tiempo indicado por cada subconjunto comprimido por espín.
"Al principio, realizamos una comparación de relojes clásica de dos subconjuntos atómicos sin compresión del espín", explicó Tso. "Luego sometimos a compresión por giro ambos subconjuntos y comparamos el rendimiento de los dos relojes con compresión por rotación. Al final, concluimos que el par de relojes con compresión por rotación funcionó mejor que el par de relojes clásicos en términos de estabilidad por un mejora de aproximadamente 1,9 dB [~25 % de mejora]. Esto es bastante decente como primer resultado de nuestra configuración experimental."
Esta mejora de la estabilidad persistió incluso cuando el rendimiento de los relojes promedió hasta el nivel de 10 -17 estabilidad de frecuencia fraccionaria, un nuevo punto de referencia para el rendimiento del reloj de red óptica por giro. "En una generación de este experimento, hemos cerrado aproximadamente la mitad de la brecha entre la estabilidad de los mejores relojes de rotación exprimida y los mejores relojes clásicos para medición de precisión", explicó Miklos, quien, junto con el resto del equipo, espera mejorar este valor aún más.
Con su comparación de conjunto dual, esta configuración experimental marca un paso significativo hacia el aprovechamiento de la mecánica cuántica para avances prácticos y teóricos, incluso en campos tan variados como la navegación hacia la física fundamental, permitiendo pruebas de teorías gravitacionales y contribuyendo a la búsqueda de nueva física.
Miklos, Tso y el resto del equipo tienen la esperanza de que su nueva configuración les permita profundizar en los fundamentos de la gravedad.
"Las mediciones precisas del corrimiento al rojo gravitacional, que se realizaron recientemente en nuestro laboratorio, es algo que nos gustaría investigar más a fondo utilizando este diseño experimental", añadió Miklos. "Con suerte, puede decirnos más sobre el universo en el que vivimos".
Más información: John M. Robinson et al, Comparación directa de dos conjuntos de relojes ópticos comprimidos por giro en el 10 −17 nivel, Física de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02310-1
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por JILA
