Publicado en Nature: Hacia un segundo más preciso en los relojes atómicos; superado el límite cuántico de la interferometría de Ramsey

Por Francisco R. Villatoro, el 31 marzo, 2010. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 2
Interferómetro lineal (izquierda), no lineal (centro) y estados hiperfinos del estado de Bose-Einstein utilizado (derecha). Se influye la representación en la esfera de Bloch de los estados de los átomos llamados |a> (azul), |b> (rojo) y su superposición coherente (morado). (C) Nature.

 

Se define un segundo como la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación asociada a la transición hiperfina del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio. El estado del arte en relojes atómicos se basa en la interferometría de campos oscilantes separados desarrollada por Norman F. Ramsey en 1949 (Premio Nobel de Física 1989). La precisión de la interferometría de Ramsey está limitada por la estadística clásica debido a que el número de átomos utilizados es finito. Gross et al. demuestran en Nature que se puede superar el límite de Ramsey mediante interferometría atómica no lineal utilizando un condensado de Bose-Einstein. Grosso modo, la técnica en lugar de medir la transición hiperfina en un átomo de cesio, utiliza un estado entrelazado de muchos átomos (170 átomos del isótopo 87 del rubidio) y mide la transición hiperfina en este «macroátomo» (el estado condensado de Bose-Einstein se describe con una única función de onda y se comporta como un «átomo» macroscópico). Utilizando su técnica de interferometría no lineal han obtenido una medida un 61% más precisa que el límite (cuántico) teórico. El artículo técnico es C. Gross, T. Zibold, E. Nicklas, J. Estève, M. K. Oberthaler, «Nonlinear atom interferometer surpasses classical precision limit,» Nature, advance online publication 31 March 2010.  

Estos avances parecen muy alejados de la realidad cotidiana. Uno se imagina un reloj atómico como una máquina enorme, de dos metros de alto, caro de construir y con un alto consumo de energía. Sin embargo, desde 2004 se fabrican relojes atómicos del tamaño de un chip, los llamados chips atómicos. Estos chips tienen gran número de aplicaciones en dispositivos portátiles de precisión atómica para comunicaciones inalámbricas seguras, navegación GPS precisa y otras aplicaciones, aunque todavía son caros. Riedel et al. publican también en Nature la aplicación de estados comprimidos de espín (spin-squeezed states) en condensados de Bose-Einstein de dos componentes para superar el límite de Ramsey en chips atómicos, así como su aplicación al desarrollo de relojes atómicos (esto último aún en desarrollo). Utilizando una técnica diferente, pero relacionada, logran utilizar técnicas interferométricas para medir las transiciones hiperfinas en estados entrelazados de 4 ± 1 átomos. El incremento en precisión más allá del límite cuántico no es tan espectacular como en el trabajo anterior, pero el hecho de que lo logren en chips atómicos merece toda nuestra atención. El artículo técnico es Max F. Riedel, Pascal Böhi, Yun Li, Theodor W. Hänsch, Alice Sinatra, Philipp Treutlein, «Atom-chip-based generation of entanglement for quantum metrology,» Nature, advance online publication 31 March 2010. 

Representación en la esfera de Bloch de la evolución del estado interno del BEC (arriba), control de la no linealidad (χ) en el chip atómico en función de la densidad de solape normalizada entre los dos BEC (abajo, izquierda) y secuencia experimental utilizada (abajo, derecha). (C) Nature.

PS (21 abril 2010): Ya han aparecido en papel estos artículos técnicos, acompañados de un comentario de Charles A. Sackett, «Quantum measurement: A condensate’s main squeeze,» News and Views, Nature 464: 1133-1134, 22 April 2010, quien nos recuerda que el entrelazamiento permite que la incertidumbre cuántica de una variable se reduzca a costa del incremento de la de otra. Buena manera de describir el secreto de estos trabajos técnicos.



2 Comentarios

    1. Gracias, Isod, tienes razón, los relojes atómicos modernos son pequeños, casi de muñeca, comparados con los antiguos relojes de fuente de cesio que tenían un tubo cilíndrico tan largo como una persona. Menos mal que he puesto que «uno se imagina …»

      El modelo que usa el ROA parece el modelo HP5071A, fabricado por Agilent Technologies, Inc., Santa Clara, California. Alcanzan una exactitud de 1 parte en un billón y es el utilizado por la mayoría de los países en el mundo. ¿Por qué aparecen 5 en la foto? Ni idea. ¿Redundancia?

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