El entrelazamiento cuántico entre dos condensados de Bose-Einstein separados

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El entrelazamiento cuántico es una correlación entre dos sistemas cuánticos más fuerte que cualquier correlación posible entre dos sistemas clásicos. Explotar el entrelazamiento en aplicaciones prácticas requiere un control preciso de su creación, manipulación, almacenamiento y detección. Se publican en Science tres experimentos que muestran que el entrelazamiento en una nube de miles de átomos ultrafríos se preserva tras su división en dos nubes de átomos separadas en el espacio. Todo un hito ya que el entrelazamiento es una propiedad cuántica tan frágil que requiere niveles de ruido ultrabajos.

Entrelazar uno a uno los miles de átomos de un condensado es imposible (solo se ha logrado con hasta diez fotones y hasta veinte iones). Hay que usar operaciones globales que afectan a todos los átomos del condensado (aprovechando que está descrito por una función de onda común a todos ellos). Este procedimiento fue demostrado en 2016 por el grupo de Philipp Treutlein (Univ. Basilea, Suiza). Ahora tres experimentos usan dicha técnica para explorar si el entrelazamiento se preserva cuando se separa dicho condensado en dos trozos. Para detectar el entrelazamiento no local entre los átomos de ambos trozos separados se usan operadores locales para los que se cumple el principio de indeterminación de Heisenberg. Esta técnica promete futuras aplicaciones en metrología y en tratamiento de la información cuántica.

Los artículos son Matteo Fadel, Tilman Zibold, …, Philipp Treutlein, “Spatial entanglement patterns and Einstein-Podolsky-Rosen steering in Bose-Einstein condensates,” Science 360: 409-413 (27 Apr 2018), doi: 10.1126/science.aao1850, arXiv:1708.02534 [quant-ph]; Philipp Kunkel, Maximilian Prüfer, …, Markus K. Oberthaler, “Spatially distributed multipartite entanglement enables EPR steering of atomic clouds,” Science 360: 413-416 (27 Apr 2018), doi: 10.1126/science.aao2254, arXiv:1708.02407 [cond-mat.quant-gas]; y Karsten Lange, Jan Peise, …, Carsten Klempt, “Entanglement between two spatially separated atomic modes,” Science 360: 416-418 (27 Apr 2018), doi: 10.1126/science.aao2035, arXiv:1708.02480 [quant-ph].

Más información divulgativa en Daniel Cavalcanti, “Split, but still attached,” Science 360: 376-377 (27 Apr 2018), doi: 10.1126/science.aat4590. Por cierto, el entrelazamiento global de condensados se publicó en Luca Pezzè, Augusto Smerzi, …, Philipp Treutlein, “Quantum metrology with nonclassical states of atomic ensembles,” arXiv:1609.01609 [quant-ph].

[PS 06 May 2018] Recomiendo leer a César Tomé, “Entrelazamiento cuántico entre dos nubes de átomos ultrafríos”, Cuaderno de Cultura Científica, 04 May 2018. Géza Tóth (Ikerbasque) cuena que «la ventaja que ofrecen los átomos ultra fríos es que se pueden conseguir estados fuertemente entrelazados que contienen cantidades de partículas superiores en varios órdenes de magnitud a otros sistemas físicos, lo cual podrá ser la base para la computación cuántica a gran escala». [/PS]

Dibujo20180430 entanglement criterium spatial patterns in the atomic cloud science sciencemag org 360 6387 409En el trabajo de Matteo Fadel y sus colegas de la Universidad de Basilea, Suiza, se usa una técnica de imagen de alta resolución para explorar las correlaciones espaciales entre los espines de los átomos de ambas nubes (spin-squeezed Bose-Einstein condensates). Así se explora el entrelazamiento mediante el llamado steering EPR (el término steering fue introducido por Schrödinger en 1935 y no se suele traducir). Usando dos operadores locales que no conmutan, basados en cómo se distribuyen los píxeles alrededor de un píxel dado, se observa el steering EPR cuando las correlaciones no locales son tan fuertes que el producto de sus incertidumbres (estimaciones de sus varianzas) es menor que la cota superior del principio de Heisenberg (que aplica a todo par de operadores que no conmuten).

Dibujo20180430 two entangled atoms clouds science sciencemag org 360 6387 409

La técnica de steering EPR basada en las imágenes permite demostrar el entrelazamiento dentro de cada nube de átomos y entre las dos nubes de átomos separadas cierta distancia. En los experimentos se ha usado un condensado con N = 590 ± 30 átomos de 87Rb atrapados por campos magnéticos un chip de átomos. Al eliminar el campo magnético, el condensado se expande durante 2.2 ms y se separa en dos regiones. Mediante pulsos de Rabi se miden espines en ambas regiones y se registran dos imágenes de alta resolución de la densidad atómica en los condensados. Las correlaciones entre los operadores entre ambas imágenes permiten explorar las correlaciones que demuestran el steering EPR.

Dibujo20180430 Distribution of entanglement science sciencemag org 360 6387 413

En el trabajo de Philipp Kunkel y sus colegas de la Universidad de Heidelberg, Alemania, se usa una técnica muy similar a la usada por los físicos de Basilea, pero con un condensado más grande, con N ≈ 11 000 átomos de 87Rb. Como se usa un mayor número de átomos, tras la expansión del condensado se pueden realizar medidas en tres regiones (A, B y C) para verificar el steering EPR. Así, además del entrelazamiento bipartito, también se demuestra el multipartito (tripartito).

Dibujo20180430 steering product with three regions science sciencemag org 360 6387 413

Además de demostrar el steering EPR bipartito SA|B < 1, en concreto, SA|B = 0.62 ± 0.12 tras 60 ms de separacíon y SA|B = 0.51 ± 0.19 tras 150 ms, también se ha demostrado el tripartito SA|BC, SB|AC, y SC|AB, como ilustra esta figura. La separación máxima entre las regiones A y B que se ha logrado es de ~13 μm. Por supuesto, lo importante para las aplicaciones no son los detalles de estos experimentos, sino la técnica desarrollada para manipular gases ultrafríos preservando su entrelazamiento.

Dibujo20180430 Generation entanglement between two spatially separated atomic clouds science sciencemag org 360 6387 416

El trabajo de Karsten Lange (Instituto de Óptica Cuántica de la Universidad Leibniz de Hannover, Alemania) y sus colegas, uno de ellos afiliado en Ikerbasque (Bilbao, España), usa una técnica diferente para atrapar los N ≈ 20 000 átomos de 87Rb, una trampa de tipo dipolo óptico de haces cruzados, y para entrelazar dichos átomos. Como resultado se estima que el entrelazamiento se logra solo en unos 5000 átomos repartidos entre las dos regiones separadas en el espacio.

Dibujo20180430 Violation of the separability criterion as a function of the total number of atoms science sciencemag org 360 6387 416

Lo más interesante de este trabajo es que se demuestra la entrelazamiento mediante un criterio de separabilidad (una medida diferente a la usada en los otros artículos, aunque relacionada con ella) entre el espín total de cada condensado atrapado en la trampa dipolar. El entrelazamiento entre los espines totales es bipartito, pero resulta del entrelazamiento multipartito de todos los átomos de cada condensado. De nuevo, se usa la cota superior predicha por el principio de incertidumbre de Heisenberg para demostrar el grado de separabilidad. El mejor resultado se obtiene para 3460 átomos en ambas nubes de átomos, lográndose una violación del criterio de separabilidad de 2,8 sigmas (desviaciones estándares).

En resumen, tres interesantes artículos que muestran cómo estimar de forma experimental el grado de entrelazamiento entre condensados de Bose-Einstein separados espacialmente. Como trabajos pioneros, habrá que esperar algún tiempo para que se dominen estas técnicas antes de disfrutar de sus aplicaciones potenciales.

1 comentario

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José José

Las aplicaciones prácticas de estos descubrimientos, creo que se verán mejor empleados en las comunicaciones en naves de exploración y, en funciones antigravedacionales.

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