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Artículo publicado por Hamish Johnston el 9 de junio de 2016 en physicsworld.com

Más de 200 iones de berilio se han entrelazado en un experimento récord realizado por investigadores del NIST en los Estados Unidos. Los iones actúan como bits cuánticos (qubits) de información y podría usarse para simular fenómenos físicos tales como el magnetismo y la superconductividad, que pueden ser notablemente difíciles de modelar usando computadores convencionales. La técnica de entrelazamiento, que implica 10 veces más iones que trabajos anteriores, podría ser útil para desarrollar mejores relojes atómicos.

Comprender un sistema complejo como una gran molécula o un superconductor, a menudo implica usar un computador para resolver la ecuación de Schrödinger para un número de electrones y átomos que interactúan. Hallar las soluciones puede ser muy complejo, particularmente en el caso de moléculas biológicas, magnetismo, y superconductores de alta temperatura.

Iones de berilio-9 entrelazados

Iones de berilio-9 entrelazados Crédito: NIST

Un simulador cuántico aborda este problema creando un modelo del sistema de interés, usando componentes que están sujetos a las reglas de la física cuántica. Los electrones que interactúan fuertemente en un sólido, por ejemplo, pueden representarse usando átomos que se mantienen en una trampa óptica o magnética. Las interacciones entre los átomos pueden ajustarse en detalle aplicando un campo magnético o ajustar la luz láser – permitiendo estudios sistemáticos de cómo afectan las interacciones al comportamiento colectivo del sistema. Esto es distinto al comportamiento de los electrones en un sólido, donde las interacciones son una propiedad fija del material.

Disco en rotación

Para crear el simulador cuántico, Justin Bohnet y sus colegas del NIST atraparon hasta 219 iones de berilio-9 en una trampa de Penning – que confina las partículas cargadas usando campos eléctricos y magnéticos. Los iones forman un disco bidimensional de un ion de grosor y 1 milímetro de diámetro. El disco rota a una frecuencia de unos 180kHz.

La repulsión eléctrica entre los iones positivamente cargados provoca que se auto-organicen en una red triangular. Cada ion tiene un espín que puede apuntar arriba o abajo a lo largo del eje Z de la trampa. Los investigadores iluminaron los átomos con una luz láser, la cual crea una interacción entre los espines cercanos que es dependiente de su orientación relativa (arriba o abajo). Esta interacción de “Ising” también se encuentra en algunos materiales magnéticos, que es por lo que tales sistemas se han mostrado útiles para la simulación cuántica del magnetismo.

Los experimentos empiezan con cero interacciones de Ising, lo que significa que los iones actúan de forma independiente unos de otros. Luego se activa la interacción, lo que provoca que los iones formen un estado entrelazado que incluye a la mayor parte, o todos, los iones atrapados. El entrelazamiento es una propiedad puramente mecánico-cuántica que permite que objetos cuánticos, tales como iones, tengan una relación mucho más estrecha que la predicha por la física clásica.

Despolarización del espín

Entonces se dispara un pulso de microondas a la trampa, el cual gira los espines 90° de forma que apunten todos en la dirección X del plano del disco. Los espines entonces se dejan durante un milisegundo y, durante este tiempo, la interacción de Ising provoca que el espín empiece a apuntar en distintas direcciones – un proceso conocido como despolarización.

Por último, el grado de despolarización que ha tenido lugar se mide iluminando una luz láser sobre la trampa. Los iones con espín arriba emiten luz fluorescente, y los de espín abajo no emiten luz. Los componentes del espín en el plano del disco (el xy) también pueden determinarse mediante el lanzamiento de un pulso de microondas para rotar los espines en el eje Z.

El equipo logró demostrar que la despolarización estaba teniendo lugar de forma coherente con la cuántica y era el resultado de las interacciones entre los espines, y no ruido. Esto es importante debido a que la presencia de grandes cantidades de ruido en el sistema sugerirían que los iones no estaban entrelazados, sino que actuaban independientemente.

El equipo observó en detalle las fluctuaciones cuánticas del sistema y logró demostrar que los estados entrelazados que crearon era “estados de espín comprimido”. Esto significa que la incertidumbre cuántica en la medida de los espines combinados del conjunto se ve reducida. Para satisfacer el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, esta incertidumbre se transmite a (o se comprime en) otros grados de libertad del sistema.

Bohnet describe los resultados como “pruebas claras e indiscutibles de que los iones están entrelazados”. “Aquí, la compresión del espín confirma que el simulador funciona correctamente, debido a que produce las fluctuaciones cuánticas que estamos buscando”, añade.

Esta capacidad para transferir la incertidumbre podría mostrarse muy útil en el desarrollo de relojes atómicos. “La reducción del ruido cuántico es lo que hace que esta forma de entrelazamiento sea útil para la mejora de los iones y los relojes atómicos”, explica Bohnet.

Ben Lanyon del Instituto para Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias comentó a physicsworld.com que “la observación del entrelazamiento en sistemas de cientos de iones atrapados es, ciertamente, un gran avance para el campo de la simulación cuántica y la ciencia cuántica en general”. Señala que la capacidad para trabajar con un gran número de partículas entrelazadas es clave para el desarrollo de potentes simuladores cuánticos. “Es particularmente emocionante que este trabajo se haya realizado con iones, que pueden ser controlados con precisión uno a uno: esto permite que cualquier propiedad del sistema sea estudiada”, comenta. Añade que “el sistema de Bohnet es bidimensional, que es donde se encuentran muchos de los problemas más interesantes, aunque más difíciles de resolver, de la física cuántica de muchos cuerpos”.

El simulador cuántico se describe en la revista Science.

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