Nada en la ciencia puede obtenerse o entenderse sin medición. Hoy en día, gracias a los avances en la detección cuántica, los científicos pueden medir cosas que eran imposibles de imaginar: las vibraciones de los átomos, las propiedades de los fotones individuales, las fluctuaciones asociadas con las ondas gravitacionales.
Se reconoce ampliamente que un truco de la mecánica cuántica llamado “comprimir el giro” promete potenciar las capacidades de los sensores cuánticos más precisos del mundo, pero es notoriamente difícil de lograr. En una nueva investigación, los físicos de Harvard describen cómo han hecho que la extracción de espín sea más accesible.
Un tipo de entrelazamiento cuántico, la compresión del espín impide la trayectoria de fluctuación de pares de partículas. Esto permite una medición más precisa de algunas señales observables, a expensas de medir con precisión otras señales complementarias; piense en cómo al apretar un globo se gana más altura a expensas de su ancho.
“La mecánica cuántica puede aumentar en gran medida nuestra capacidad para medir señales muy pequeñas”, afirmó Norman Yau, profesor de física y autor del nuevo artículo sobre extracción de espín. Física de la naturaleza. “Hemos demostrado que es posible lograr una metrología mejorada cuánticamente en una clase de sistemas más amplia de lo que se pensaba anteriormente”.
En la metáfora del globo, un círculo representa la incertidumbre inherente en la medición de cualquier cantidad, explicó Maxwell Block, coautor del artículo y ex estudiante de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias Griffin. “Al reducir esta incertidumbre, al hacer que el globo parezca una elipse, se puede remodelar la sensibilidad de la medición”, dijo Block. “Esto significa que algunas mediciones pueden ser mucho más precisas que cualquier cosa que pudiera hacerse sin la mecánica cuántica”.
Por ejemplo, el experimento LIGO utilizó un análogo de la compresión del espín para aumentar la sensibilidad del detector de ondas gravitacionales de ganancia Nobel.
El trabajo del equipo de Harvard se basó en un artículo histórico de 1993 que describió por primera vez la posibilidad de un estado retorcido y entrelazado creado por interacciones “totales” entre átomos. Estas interacciones son similares a una gran reunión de Zoom, en la que cada participante se comunica con los demás al mismo tiempo. Entre átomos, este tipo de contacto permite fácilmente la construcción de las correlaciones de la mecánica cuántica necesarias para inducir estados de espín. Sin embargo, en la naturaleza, los átomos suelen interactuar de una manera que se asemeja a un juego de teléfono, hablando sólo con unos pocos vecinos a la vez.
“Durante años, se ha pensado que se puede obtener un espín verdaderamente mejorado cuánticamente a través de todas las interacciones”, dijo Bingtian Ye, coautor principal del artículo y ex Escuela de Graduados en Artes y Ciencias Griffin. estudiante “Pero lo que hemos demostrado es que en realidad es bastante simple”.
En su artículo, los investigadores describen una nueva estrategia para crear un entrelazamiento que apriete el espín. Comprendió y rápidamente confirmó mediante experimentos con colegas en Francia que los componentes que exprimen el espín son omnipresentes en el magnetismo de la naturaleza: el ferromagnetismo, que es también la fuerza que se adhiere al imán del refrigerador. Argumentan que no todas las interacciones son necesarias para lograr la compresión del espín, pero que siempre que los espines estén lo suficientemente bien acoplados para ser coherentes en el estado magnético, también deberían ser capaces de producir dinámicamente la compresión del espín.
Los investigadores esperan que al reducir la barrera de compresión del espín de esta manera, su trabajo inspire nuevas formas para que los científicos e ingenieros cuánticos creen sensores más portátiles, útiles en imágenes biomédicas, relojes atómicos y más.
Con ese espíritu, Yao lidera ahora experimentos para crear extracción de espín en sensores cuánticos hechos de centros de vacantes de nitrógeno, un tipo de defecto en la estructura cristalina del diamante que durante mucho tiempo se ha reconocido como un sensor cuántico ideal.
La investigación recibió apoyo federal de: la Oficina de Investigación del Ejército, la Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Energía, el Departamento de Defensa y la Fundación Nacional de Ciencias.
