Como conductores de una sinfonía espeluznante, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han "entrelazado" dos pequeños tambores mecánicos y han medido con precisión sus propiedades cuánticas vinculadas. Los pares entrelazados como este podrían algún día realizar cálculos y transmitir datos en grandes cantidades-redes cuánticas a escala.
El equipo del NIST usó pulsos de microondas para atraer a los dos pequeños tambores de aluminio a una versión cuántica del Lindy Hop, con un compañero moviéndose en un patrón tranquilo y tranquilo mientras el otro se movía un poco más. Los investigadores analizaron señales similares a un radar paraverificar que los pasos de los dos tambores formaran un patrón entrelazado, un dúo que sería imposible en el mundo clásico cotidiano.
Lo nuevo no es tanto la danza en sí, sino la capacidad de los investigadores para medir los golpes de tambor, subiendo y bajando solo una cuadrillonésima parte de un metro, y verificar su frágil enredo detectando relaciones estadísticas sutiles entre sus movimientos.
La investigación se describe en la edición del 7 de mayo de ciencia .
"Si analizas los datos de posición y momento de los dos tambores de forma independiente, cada uno simplemente se ve atractivo", dijo el físico del NIST John Teufel. "Pero al mirarlos juntos, podemos ver que lo que parece un movimiento aleatorio de un tambor esaltamente correlacionado con el otro, de una manera que solo es posible a través del entrelazamiento cuántico ".
La mecánica cuántica se concibió originalmente como el libro de reglas para la luz y la materia a escalas atómicas. Sin embargo, en los últimos años los investigadores han demostrado que las mismas reglas se pueden aplicar a objetos cada vez más grandes, como los tambores. Su movimiento de ida y vuelta los haceun tipo de sistema conocido como oscilador mecánico. Dichos sistemas se entrelazaron por primera vez en el NIST hace aproximadamente una década, y en ese caso los elementos mecánicos eran átomos individuales.
Desde entonces, el grupo de investigación de Teufel ha estado demostrando el control cuántico de membranas de aluminio en forma de tambor suspendidas sobre esteras de zafiro. Según los estándares cuánticos, los tambores del NIST son enormes, de 20 micrómetros de ancho por 14 micrómetros de largo y 100 nanómetros de espesor. Cada uno pesa alrededor de 70 picogramos., que corresponde a aproximadamente 1 billón de átomos.
Es difícil enredar objetos masivos porque interactúan fuertemente con el medio ambiente, lo que puede destruir estados cuánticos delicados. El grupo de Teufel desarrolló nuevos métodos para controlar y medir el movimiento de dos tambores simultáneamente. Los investigadores adaptaron una técnica demostrada por primera vez en 2011 para enfriar untambor único al cambiar de señales de microondas estables a pulsadas para optimizar por separado los pasos de enfriamiento, entrelazamiento y medición de los estados. Para analizar rigurosamente el entrelazamiento, los experimentadores también trabajaron más de cerca con los teóricos, una alianza cada vez más importante en el esfuerzo global para construir redes cuánticas.
La batería del NIST está conectada a un circuito eléctrico y encerrada en una cavidad enfriada criogénicamente. Cuando se aplica un pulso de microondas, el sistema eléctrico interactúa y controla las actividades de la batería, que puede mantener estados cuánticos como entrelazamiento durante aproximadamente unmilisegundo, mucho tiempo en el mundo cuántico.
Para los experimentos, los investigadores aplicaron dos pulsos de microondas simultáneos para enfriar los tambores, dos pulsos simultáneos más para entrelazar los tambores y dos pulsos finales para amplificar y registrar las señales que representan los estados cuánticos de los dos tambores. Los estados están codificados enun campo de microondas reflejado, similar al radar. Los investigadores compararon los reflejos con el pulso de microondas original para determinar la posición y el impulso de cada tambor.
Para enfriar los tambores, los investigadores aplicaron pulsos a una frecuencia por debajo de las vibraciones naturales de la cavidad. Como en el experimento de 2011, los golpes de tambor convirtieron los fotones aplicados a la frecuencia más alta de la cavidad. Estos fotones se filtraron fuera de la cavidad a medida que se llenaba.El fotón se llevó consigo una unidad mecánica de energía, un fonón o un cuanto, del movimiento del tambor. Esto eliminó la mayor parte del movimiento del tambor relacionado con el calor.
Para crear un entrelazamiento, los investigadores aplicaron pulsos de microondas entre las frecuencias de los dos tambores, más altos que el tambor 1 y más bajos que el tambor 2. Estos pulsos entrelazaron los fonones del tambor 1 con los fotones de la cavidad, generando pares de fotón-fonón correlacionados. Los pulsos tambiénTambor enfriado 2 ms, ya que los fotones que abandonaban la cavidad fueron reemplazados por fonones.
Para entrelazar los pares de fonones, la duración de los pulsos fue crucial. Los investigadores descubrieron que estos pulsos de microondas debían durar más de 4 microsegundos, idealmente 16,8 microsegundos, para enredar fuertemente los fonones. Durante este período de tiempo, el entrelazamiento se hizo más fuerte y elEl movimiento de cada tambor aumentó porque se movían al unísono, una especie de refuerzo comprensivo, dijo Teufel.
Los investigadores buscaron patrones en las señales devueltas o datos de radar. En el mundo clásico, los resultados serían aleatorios. Trazar los resultados en un gráfico reveló patrones inusuales que sugerían que los tambores estaban enredados. Para estar seguros, los investigadores realizaron el experimento 10,000veces y aplicó una prueba estadística para calcular las correlaciones entre varios conjuntos de resultados, como las posiciones de los dos tambores.
"Hablando en términos generales, medimos cuán correlacionadas están dos variables; por ejemplo, si midió la posición de un tambor, ¿qué tan bien podría predecir la posición del otro tambor", dijo Teufel. "Si no tienen correlaciones yAmbos están perfectamente fríos, solo se puede adivinar la posición promedio del otro tambor dentro de una incertidumbre de medio cuanto de movimiento. Cuando están entrelazados, podemos hacerlo mejor, con menos incertidumbre. El enredo es la única forma en que esto es posible."
"Para verificar que el entrelazamiento está presente, hacemos una prueba estadística llamada 'testigo de entrelazamiento' '', dijo el teórico del NIST Scott Glancy." Observamos correlaciones entre las posiciones y los impulsos de los tambores, y si esas correlaciones son más fuertes de lo que puedenproducido por la física clásica, sabemos que los tambores deben haberse entrelazado. Las señales de radar miden la posición y el momento simultáneamente, pero el principio de incertidumbre de Heisenberg dice que esto no se puede hacer con una precisión perfecta. Por lo tanto, pagamos un costo adicional de aleatoriedaden nuestras mediciones. Gestionamos esa incertidumbre mediante la recopilación de un gran conjunto de datos y la corrección de la incertidumbre durante nuestro análisis estadístico ".
Los sistemas cuánticos masivos y altamente entrelazados como este podrían servir como nodos de redes cuánticas de larga duración. Las mediciones de radar de alta eficiencia utilizadas en este trabajo podrían ser útiles en aplicaciones como la teletransportación cuántica transferencia de datos sin un enlace físicoo intercambiando entrelazamientos entre nodos de una red cuántica, porque estas aplicaciones requieren que se tomen decisiones basadas en mediciones de los resultados del entrelazamiento.Los sistemas entrelazados también podrían usarse en pruebas fundamentales de mecánica cuántica y detección de fuerza más allá de los límites cuánticos estándar.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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