Muchas tecnologías cuánticas prometedoras, incluidos sensores avanzados y futuras computadoras cuánticas, se basan en un fenómeno conocido como entrelazamiento, donde las partículas se conectan profundamente y se influyen entre sí de maneras que la física clásica no puede explicar. Generar los estados complejos que requieren estas tecnologías ha requerido tradicionalmente equipos sofisticados y sistemas experimentales cuidadosamente diseñados.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago (UChicago PME) han propuesto ahora un enfoque más simple. Su nuevo enfoque teórico puede crear y controlar una amplia gama de estados cuánticos utilizando herramientas que ya son comunes en muchos laboratorios de física cuántica.
Obras publicadas Exploración física xPodría ayudar a avanzar en la detección cuántica ultraprecisa y abrir nuevas oportunidades para explorar la física fundamental.
“Queríamos combinar elementos comunes que se encuentran en muchas plataformas físicas y combinarlos de una manera mínima para obtener algo interesante, complejo y poderoso”, dijo Ashish Clark, profesor de ingeniería molecular en UChicago PME y autor principal del nuevo estudio.
La investigación fue apoyada por Q-NEXT, un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del DOE.
Revisando el sistema QED de cavidades
El método del equipo se basa en la electrodinámica cuántica de cavidades, comúnmente conocida como QED de cavidades. En estos experimentos, se colocan átomos u otras partículas dentro de una cavidad óptica, que contiene dos espejos que atrapan la luz entre ellos. Luego, las partículas interactúan con la luz confinada dentro de la cavidad.
Una limitación de muchos sistemas QED de cavidad es que todos los átomos interactúan con la luz exactamente de la misma manera. Como los átomos son efectivamente indistinguibles, la gama de estados cuánticos que pueden producirse es limitada.
“El desafío siempre ha sido que estos sistemas tienen una simetría muy alta. Todos los átomos se comunican con la luz de la misma manera”, dijo Clark. “Realmente limita el tipo de condiciones de reunión que se obtienen”.
En una configuración típica de QED de cavidad, cada átomo tiene un estado fundamental y un estado excitado separados por una diferencia de energía fija.
Los investigadores encontraron una forma sencilla de reducir la simetría del sistema. Aunque todos los átomos son impulsados por el mismo láser, se utilizan láseres o campos magnéticos adicionales para cambiar la energía de los estados excitados de diferentes grupos de átomos. Los átomos están dispuestos de modo que cada uno esté emparejado con otro átomo con una compensación de energía igual pero opuesta.
Este simple cambio permite que los átomos se comporten de manera diferente entre sí y al mismo tiempo preservan suficiente estructura para que el sistema siga siendo controlable y predecible. Al cambiar qué átomos ejercen cambios de energía particulares, los científicos pueden ajustar el sistema para crear diferentes tipos de estados entrelazados sin cambiar el hardware físico.
“Enciendes estos láseres y esperas, y en algún momento el sistema se estabiliza en un estado cuántico interesante y altamente concentrado”, dijo Anjun Chu, investigador postdoctoral del grupo Clark y primer autor del nuevo trabajo. “Con solo ajustar los láseres, podemos acceder a tipos de enredos en los que nadie había pensado antes”.
Desarrollando sensores cuánticos avanzados
Uno de los usos más prometedores del nuevo método es la detección cuántica.
En teoría, los estados cuánticos entrelazados podrían detectar diferencias extremadamente pequeñas en los campos magnéticos o gravitacionales entre ubicaciones individuales. Sin embargo, los Estados en desarrollo que son a la vez altamente sensibles y resistentes al ruido plantean un desafío importante.
Los investigadores demostraron que se puede utilizar una versión del sistema propuesto en el que hay dos grupos de átomos para medir gradientes de campo. Cuando dos entrelazamientos atómicos se colocan en diferentes lugares, el estado cuántico resultante refleja la diferencia en el campo magnético o gravitacional local. Al mismo tiempo, rechaza de forma natural el ruido de fondo que afecta a ambas posiciones por igual.
“Se pueden hacer dos cosas que normalmente no son compatibles entre sí: utilizar el entrelazamiento para crear un sensor que sea increíblemente sensible pero también resistente a mucho ruido”, dijo Clark. “Normalmente, el entrelazamiento es muy frágil. Este método tiene una resistencia sorprendente”.
Otra ventaja es que la información almacenada en estos estados cuánticos se puede extraer utilizando técnicas de medición estándar de Ramsey, eliminando la necesidad de métodos de medición externos o especializados.
Aplicaciones más allá de la sensación
Los investigadores también demostraron que la misma plataforma puede crear estados cuánticos inusuales que han atraído durante mucho tiempo el interés de los físicos.
Un ejemplo es el estado AKLT, un conocido estado entrelazado de muchos cuerpos introducido por primera vez en la década de 1980 para describir materiales magnéticos anómalos. El equipo descubrió que su configuración relativamente simple podría estabilizar la situación. Además de ayudar a los científicos a estudiar sistemas magnéticos complejos, los estados de AKLT también pueden tener aplicaciones en la computación cuántica.
Próximos pasos para la investigación
El trabajo sigue siendo teórico por ahora, pero los investigadores ya están discutiendo posibles pruebas experimentales con otros grupos.
Están investigando formas más sofisticadas de organizar los átomos dentro del sistema y explorando toda la gama de estados cuánticos que su método podría producir.
“El hecho de que materiales tan simples puedan crear estados cuánticos tan complejos y útiles nos da la esperanza de que antes de alcanzar el sueño de una computadora cuántica simple y multiuso, ya podamos crear estados cuánticos que nos permitan hacer cosas que no podríamos hacer en el mundo puramente clásico”, dijo Clark.
Este material se basa en un trabajo respaldado por el Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. como parte del Centro Q-NEXT.
