Investigadores de la Universidad de Basilea y del laboratorio Kastler Brussel han demostrado que el entrelazamiento cuántico puede utilizarse para medir muchas cantidades físicas al mismo tiempo con mayor precisión que los métodos tradicionales.
El entrelazamiento se describe a menudo como uno de los efectos más misteriosos de la física cuántica. Cuando dos objetos cuánticos están entrelazados, las mediciones realizadas en ellos pueden estar fuertemente acopladas incluso cuando los objetos están muy separados. Estas conexiones estadísticas inesperadas no tienen explicación en la física clásica. El efecto puede parecer como si la medición de un objeto afectara de alguna manera a otro a distancia. Este fenómeno, conocido como paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen, fue confirmado experimentalmente y fue reconocido con el Premio Nobel de Física 2022.
Uso del entrelazamiento remoto para medir la precisión
Partiendo de esta base, el Dr. profesor de la Universidad de Basilea. Philippe Trutelin y un equipo dirigido por la Prof. Dra. Alice Sinatra en el Laboratoire Kastler Brussel (LKB) en París han demostrado que el entrelazamiento entre objetos cuánticos separados en el espacio puede tener un propósito práctico. Su trabajo muestra que los sistemas espacialmente separados pero entrelazados se pueden utilizar para medir múltiples parámetros físicos simultáneamente con mayor precisión. Los resultados del estudio fueron publicados recientemente en la revista Science.
“La metrología cuántica, que aprovecha los efectos cuánticos para mejorar la medición de cantidades físicas, es ahora un campo de investigación consolidado”, afirma Treutlin. Hace unos quince años, él y sus colaboradores fueron los primeros en desacoplar los espines de átomos extremadamente fríos. Estos espines, que pueden imaginarse como diminutas agujas de una brújula, pueden medirse con mayor precisión que si cada átomo se comportara de forma independiente en lugar de aislado.
“Sin embargo, esos átomos estaban en la misma posición”, explica Trutlin: “Ahora ampliamos esta idea distribuyendo los átomos en tres nubes espacialmente separadas. Como resultado, los efectos de entrelazamiento a distancia actúan como la paradoja EPR”.
Mapeo de campos con nubes atómicas entrelazadas
Este método es particularmente útil para estudiar cantidades que varían en el espacio. Por ejemplo, los investigadores interesados en medir cómo varía un campo electromagnético de un lugar a otro pueden utilizar espines nucleares físicamente disociados. Al igual que con las mediciones realizadas en un solo lugar, el entrelazamiento reduce la incertidumbre que surge de los efectos cuánticos. También puede anular perturbaciones que afectan a todos los átomos de la misma manera.
“Hasta ahora, nadie había realizado una medición cuántica de este tipo con nubes de átomos aisladas espacialmente, y el marco teórico para tales mediciones aún no estaba claro”, dijo Yifan Li, quien trabajó en el experimento como postdoctorado en el grupo de Treutlin. Junto con colegas de LKB, el equipo estudió cómo reducir la incertidumbre al utilizar nubes entrelazadas para medir la estructura espacial del campo electromagnético.
Para ello, los investigadores primero atraparon los espines atómicos en una sola nube. Luego dividieron la nube en tres partes que se unieron. Con sólo un pequeño número de mediciones, pudieron determinar la distribución del campo con una precisión notablemente mayor de la que sería posible sin entrelazamientos en el espacio.
Aplicaciones en relojes atómicos y gravímetros.
“Nuestros protocolos de medición se pueden aplicar directamente a instrumentos de precisión existentes, como relojes de celosía óptica”, afirma Lex Joosten, estudiante de doctorado del grupo de Basilea. En estos relojes, los átomos se mantienen en su lugar mediante rayos láser dispuestos en una red y actúan como “manecillas de reloj” de alta precisión. Los nuevos métodos pueden reducir ciertos errores causados por la forma en que se distribuyen los átomos en la red, lo que lleva a un cronometraje más preciso.
La misma técnica también podría mejorar el interferómetro atómico, que se utiliza para medir la aceleración gravitacional de la Tierra. En determinadas aplicaciones, conocidas como gravímetros, los científicos se centran en cómo cambia la gravedad en el espacio. El uso de átomos atrapados hace posible medir estas variaciones con mayor precisión que nunca.
