Mostrando un control preciso a nivel cuántico, los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han desarrollado un método para hacer que un ion átomo cargado eléctricamente muestre cantidades exactas de movimiento a nivel cuántico, cualquier cantidad específica hasta100 paquetes de energía o "quanta", más de cinco veces el máximo récord anterior de 17.
La mecánica cuántica, la teoría fundamental del mundo atómico, establece que la energía se libera o absorbe en pequeñas parcelas o paquetes, llamados cuantos. Los átomos liberan energía de la luz al irradiar fotones, o cuantos de luz. Cuando los investigadores los atrapan en una trampa., la energía de movimiento de los átomos es transportada por fonones, o cuantos de movimiento.
Además de crear números únicos de cuantos, el equipo del NIST controlaba el movimiento pendular de sus iones para exhibir simultáneamente dos cantidades diferentes de cuantos de movimiento: cero movimiento mínimo más cualquier número hasta 18. Tal "superposición" de dosEstados es un sello distintivo del curioso mundo cuántico.
Publicado en línea por Naturaleza el 22 de julio, los nuevos métodos podrían usarse con cualquier oscilador mecánico cuántico, incluidos los sistemas que oscilan como un péndulo simple o vibran como un resorte. Las técnicas podrían conducir a nuevos tipos de simuladores y sensores cuánticos que usan fonones como portadores deAdemás, la capacidad de adaptar los estados de superposición puede mejorar las mediciones cuánticas y el procesamiento de información cuántica. Usar el ion en una superposición como instrumento de medición de frecuencia más que duplicó la precisión en comparación con las mediciones convencionales de la frecuencia de vibración del ion.
"Si tenemos control cuántico de un objeto, podemos 'doblar' las reglas clásicas para tener incertidumbres más bajas en ciertas direcciones deseadas a expensas de mayores incertidumbres en otras direcciones", dijo el primer autor Katie McCormick. "Entonces podemos usar elestado cuántico como regla para medir las propiedades de un sistema. Cuanto más control cuántico tengamos, más espaciadas están las líneas en la regla, lo que nos permite medir cantidades cada vez más precisas ".
Los experimentos se realizaron con un solo ion de berilio sostenido a 40 micrómetros por encima de los electrodos de oro de una trampa electromagnética enfriada. Los nuevos resultados fueron posibles porque los investigadores del NIST pudieron minimizar los factores no deseados, como los campos eléctricos dispersos que intercambian energía e interrumpen elion, dijo McCormick.
Para agregar fonones al ion, los investigadores del NIST alternaban pulsos de láser ultravioleta justo por encima y por debajo de la diferencia de frecuencia entre dos de los estados de "giro" de los iones, o configuraciones de energía interna. Cada pulso volcó el ion de "girar hacia arriba" a "spin down "o viceversa, con cada volteo agregando un cuanto de movimiento de balanceo de iones. Para crear superposiciones, los investigadores aplicaron esos pulsos láser a solo la mitad de la función de onda del ion el patrón en forma de onda de la probabilidad de la ubicación de la partícula y el estado de giro.La otra mitad de la función de onda estaba en un tercer estado de giro que no se vio afectado por los pulsos del láser y permaneció inmóvil.
Las superposiciones del estado inmóvil o fundamental del ion y un número de fonones más alto dieron a los investigadores del NIST sensibilidad o precisión de medición "cuántica mejorada". Usaron el ion como un interferómetro, un instrumento que divide y fusiona dos ondas parciales para crearun patrón de interferencia que puede analizarse para caracterizar la frecuencia. Los investigadores del NIST usaron el interferómetro para medir la frecuencia de oscilación del ion con una incertidumbre menor de lo que normalmente es posible.
Específicamente, la precisión de la medición aumentó linealmente con el número de cuantos de movimiento, hasta el mejor rendimiento en el estado de superposición 0 y 12, que ofreció más del doble de la sensibilidad de un estado cuántico de comportamiento clásico compuesto técnicamente de un conjuntode estados numéricos. Ese estado de superposición 0 y 12 también fue más de siete veces más preciso que la superposición de interferómetro más simple de 0 y 1.
Para comprender por qué los estados de superposición ayudan a medir la frecuencia de oscilación del ion con mayor precisión, McCormick sugiere imaginar una rueda con radios.
"En un cierto espacio abstracto que describe la posición y el momento del ion, la oscilación está representada por una rotación", dijo McCormick. "Queremos poder medir esta rotación con mucha precisión. Superposiciones del estado fundamental del ionEl movimiento y los estados numéricos más altos son una gran regla para esta medición porque, en esta representación abstracta, se pueden visualizar como una rueda con radios. Estos radios se pueden usar para determinar la cantidad en la que ha rotado el estado. Y cuanto mayor sea el númeroestado, cuantos más radios hay y más precisamente podemos medir esta rotación ".
La sensibilidad de medición ofrecida por los estados de superposición debería ayudar a caracterizar y reducir el ruido en el movimiento, una fuente importante de error que los investigadores quieren minimizar en el procesamiento de información cuántica con iones atrapados.
El trabajo fue apoyado por la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia, la Oficina de Investigación del Ejército y la Oficina de Investigación Naval.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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