Elaborado por: Ing. Q. William Güin / Metrólogo - División de Metrología
Un equipo de investigadores del Instituto Conjunto de Laboratorios en Astrofísica (acrónimo en inglés JILA) ha combinado con éxito por primera vez dos de las características "más espeluznantes" de la mecánica cuántica para crear un mejor sensor cuántico, las cuales son el entrelazamiento entre átomos y la deslocalización de átomos. JILA es un instituto de investigación de ciencias físicas operado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) que es el Instituto Nacional de Metrología de los EE.UU. y la Universidad de Colorado Boulder.
El famosos científico Albert Einstein originalmente se refirió al entrelazamiento como la creación de una acción espeluznante a distancia y consiste en el extraño efecto de la mecánica cuántica, donde lo que le sucede a un átomo de alguna manera influye en otro átomo en otro lugar sin importar la distancia que lo separa. Un segundo aspecto bastante espeluznante de la mecánica cuántica es la deslocalización, y consiste en el hecho de que un único átomo puede estar en más de un lugar al mismo tiempo.
Como se describe en un artículo publicado en la revista de ciencias Nature (ver fuente), un grupo liderado por el Dr. James Thompson, miembro de JILA y NIST, ha combinado lo espeluznante del entrelazamiento y la deslocalización. Estos investigadores han creado por primera vez un interferómetro de onda de materia que puede detectar aceleraciones con una precisión que supera el límite cuántico estándar, este es un límite en la precisión de una medición experimental a nivel cuántico. Los futuros sensores cuánticos podrán proporcionar una navegación más precisa, explorar en busca de recursos naturales necesarios, determinar con mayor precisión constantes fundamentales como la estructura fina y las constantes gravitacionales, buscar con mayor precisión materia oscura, o tal vez incluso un día detectar ondas gravitacionales.
Para entrelazar dos objetos, normalmente hay que acercarlos mucho, para que puedan interactuar. El grupo del Dr. Thompson han aprendido cómo entrelazar de miles a millones de átomos incluso cuando están separados por distancias de milímetros o más. Lo hacen utilizando la luz que rebota entre espejos, llamada cavidad óptica, para permitir que la información salte entre los átomos y los entrelace en un estado entrelazado. Utilizando este enfoque único basado en la luz, han creado y observado algunos de los estados más entrelazados jamás generados en cualquier sistema, ya sea atómico, fotónico o sólido.
Utilizando esta técnica, el grupo diseñó dos enfoques experimentales distintos, que utilizaron en su trabajo reciente. En el primer enfoque, llamado medición cuántica de no demolición, hacen una medición previa del ruido cuántico asociado con sus átomos y simplemente restan el ruido cuántico de su medición final. En un segundo enfoque, la luz inyectada en la cavidad hace que los átomos experimenten una torsión en un eje, un proceso en el que el ruido cuántico de cada átomo se correlaciona con el ruido cuántico de todos los demás átomos para que puedan conspirar juntos para volverse más silenciosos.
Una explicación sencilla de entender lo anterior, es que los átomos se comportan como niños que se hacen callar unos a otros para así poder oír acerca de la fiesta que les ha prometido el maestro, pero aquí es el enredo el que hace que se callen. Un proceso en el que el ruido cuántico de cada átomo se correlaciona con el ruido cuántico de todos los demás átomos para que puedan conspirar juntos para volverse más silenciosos.
Uno de los sensores cuánticos más precisos y exactos de la actualidad es el interferómetro de materia-onda. La idea es que se utilizan pulsos de luz para hacer que los átomos se muevan y no se muevan simultáneamente al absorber y no absorber la luz láser. Esto hace que con el tiempo los átomos estén simultáneamente en dos lugares diferentes a la vez. Esto se logra haciendo brillar rayos láser sobre los átomos, de modo que se divide el paquete de ondas cuánticas de cada átomo en dos, en otras palabras, la partícula en realidad existe en dos espacios separados al mismo tiempo.
En el proceso para generar la deslocalización, los pulsos de luz láser invierten el proceso y vuelven a unir los paquetes de ondas cuánticas para que cualquier cambio en el entorno, como aceleraciones o rotaciones, pueda detectarse mediante una cantidad mensurable de interferencia que ocurre en las dos partes del paquete de ondas atómicas. Lo anterior es muy parecido a lo que se hace con los campos de luz en los interferómetros normales, pero aquí con ondas de'Broglie, u ondas hechas de materia. El equipo de JILA descubrió cómo hacer que todo esto funcione dentro de una cavidad óptica con espejos altamente reflectantes. Pudieron medir qué tan lejos cayeron los átomos a lo largo de la cavidad orientada verticalmente debido a la gravedad en una versión cuántica del experimento de gravedad de Galileo al arrojar objetos desde la Torre Inclinada de Pisa, pero con todos los beneficios de precisión y exactitud que brinda la mecánica cuántica.
Al aprender a operar un interferómetro de onda de materia dentro de una cavidad óptica, el equipo de JILA pudo aprovechar las interacciones luz-materia para crear un entrelazamiento entre los diferentes átomos y formar una Medición más silenciosa y precisa de la aceleración de la gravedad. Esta es la primera vez que alguien ha podido observar un interferómetro de materia-onda con una precisión que supera el límite cuántico estándar de precisión establecido por el ruido cuántico de los átomos no entrelazados.
Gracias a la precisión y exactitud mejorada, se puede ver muchos beneficios futuros al utilizar el entrelazamiento como recurso en sensores cuánticos. Se estima que algún día seremos capaces de introducir el entrelazamiento en interferómetros de ondas de materia para detectar ondas gravitacionales en el espacio o para búsquedas de materia oscura, cosas que investiguen la física fundamental, así como dispositivos que puedan usarse para infinidad de aplicaciones diarias como navegación o geodesia, con este trascendental avance experimental.
