El entrelazamiento cuántico híbrido entre una milimembrana macroscópica y los espines de un gas de átomos

Por Francisco R. Villatoro, el 2 octubre, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 2

Mucha gente aún ignora que en el entrelazamiento cuántico se correlacionan los estados cuánticos de dos sistemas físicos que pueden ser muy diferentes entre sí. Lo más habitual en el entrelazamiento cuántico híbrido es entrelazar fonones con fotones y espines con fotones. Se publica en Nature  el entrelazamiento cuántico híbrido entre los estados cuánticos de una membrana milimecánica macroscópica y un gas cuántico microscópico. El secreto es la reducción del nivel de ruido está niveles increíblemente bajos. Ajustando con un campo magnético los estados de espín del gas de átomos permite ponerlo en resonancia con la membrana y entrelazar sus estados cuánticos. ¿Para qué sirve este logro? El entrelazamiento híbrido tiene muchas aplicaciones en el procesado de la información cuántica.

La membrana de nitruro de silicio tiene un milímetro cuadrado y un grosor de 13 nm; se encuentra dentro de una cavidad óptica formada por dos espejos de 25 mm de radio de curvatura separados 2.6 mm; todo este sistema macroscópico está enfriado a 4.4 K para que su frecuencia de resonancia sea de 1.37 MHz. El gas de unos mil millones de átomos de cesio está confinado dentro de una celda de 0.3 mm × 0.3 mm × 10 mm. Ambos están separados por una distancia de un metro y están acoplados por un haz óptico que atraviesa el gas de átomos, interacciona con la membrana gracias a los espejos que la rodean y alcanza un detector. El experimento es técnicamente impresionante pues lograr niveles tan bajos de ruido cuántico es extremadamente difícil.

El artículo es Rodrigo A. Thomas, Michał Parniak, …, Eugene S. Polzik, «Entanglement between distant macroscopic mechanical and spin systems,» Nature Physics (21 Sep 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-020-1031-5; más información divulgativa en Brian D’Urso, James Millen, «An odd couple,» Nature Physics (21 Sep 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-020-1020-8.

En apariencia el esquema experimental es muy sencillo. Pero reducir los niveles de ruido hasta permitir el entrelazamiento es muy difícil. Para reducirlo en la membrana se usa un «escudo fonónico», un cristal artificial que protege sus estados de las vibraciones térmicas hasta que solo queda el ruido cuántico de punto cero. Hay que reducirlo, lo que parece imposible pues su origen es el principio de Heisenberg. Sin embargo, hay un truco, usar un método de «bombeo óptico» que excita todos los átomos a un estado de espín resonante (Resonant en la figura) por encima del estado fundamental (Ground state) al que se relaja conforma pasa el tiempo. Este «oscilador invertido» (también llamado «oscilador extraño») se comporta como un sistema oscilatoria con una masa negativa (algo parecido a las «temperaturas negativas» en un láser). Un truco realmente curioso para cancelar gran parte del ruido cuántico. Te recomiendo mi pieza «Qué significa que un gas cuántico tiene una temperatura negativa», LCMF, 04 ene 2013

Por supuesto, se han publicado muchos experimentos de entrelazamiento híbrido en los que se entrelazan grados de libertad de sistemas físicos diferentes, como átomos y fotones. La gran novedad del nuevo trabajo es que ambos sistemas son «salvajemente» diferentes, tanto como un sistema cuántico microscópico y un sistema clásico macroscópico enfriado hasta mostrar estados cuánticos.

¿Cómo se demuestra el entrelazamiento entre dos sistemas tan diferentes? El artículo presenta un modelo teórico de lo que se espera observar en la densidad espectral de potencia (PSD) para la cuadratura de fase óptica en el detector. Conforme se ajusta el estado de espín usando el campo magnético aplicado al gas de átomos se transita de un sistema no entrelazado a uno entrelazado y viceversa. Los resultados experimentales (mostrados en esta figura) se ajustan muy bien a las predicciones teóricas (eso sí, con algo de ruido).

¿Para qué sirven estos sistemas híbridos entrelazados? En física clásica se usan mucho los transductores que transforman señales de un tipo a otro tipo; en física cuántica estos transductores también son muy relevantes, pero para preservar algunas propiedades deben basarse en el entrelazamiento cuántico. Así hay múltiples aplicaciones para los sistemas de entrelazamiento híbrido (aunque quizás no tantas para el presentado en este artículos pues no se suelen usar membranas macroscópicas en sistemas de procesado de información cuántica). Las aplicaciones más habituales son los transductores cuánticos fotón-fonón-fotón. Además, el nuevo experimento tiene potenciales aplicaciones «exóticas» que aprovechen que el oscilador milimecánico se comporta con masa efectiva negativa; se han propuesto aplicaciones para estos sistemas en la detección de ondas gravitacionales con una sensibilidad por debajo del límite cuántico estándar.



2 Comentarios

  1. Hola Francis
    perdon que pregunte algo no relacionado al articulo
    Que pensas de Sparc van a lograr la fusion con Q mayor a 2 antes que iter digamos en 2025-2030? o aun mayor a 10? gracias a usar superconductores?

    1. Benjamin, por ahora es solo un diseño en papel; están al mismo nivel que ITER en el año 2000, luego van 20 años retrasados respecto a ITER. Y su gran problema (como en el caso de ITER) es la financiación, ¿lograrán la que necesitan? Quién sabe…

      Y, por otro lado, ¿por qué destacas lo de los superconductores? ITER también usa superconductores. Cualquier cosa que necesite campos magnéticos intensos usa superconductores.

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