Entrelazan cuánticamente 3.000 átomos con un solo fotón

Físicos del Massachusetts Institute of Technology (Boston, EE.UU.) y de la Universidad de Belgrado (Serbia) han desarrollado una nueva técnica que puede entrelazar con éxito 3.000 átomos utilizando un solo fotón. Los resultados, publicados en la revista Nature, representan el mayor número de partículas que alguna vez ha sido mutuamente entrelazadas experimentalmente.

Los investigadores dicen que la técnica ofrece un método realista para generar grandes conjuntos de átomos entrelazados, que son componentes clave para la realización de relojes atómicos más precisos.

"Puede aducirse que un solo fotón no puede cambiar el estado de 3.000 átomos, pero este fotón lo hace", dice Vladan Vuletic, profesor de Física, y autor principal del artículo, en la nota de prensa de MIT. "Básicamente, hemos creado una nueva clase de estados entrelazados que podemos fabricar, pero hay muchas nuevas clases más por ser exploradas".

El entrelazamiento es un fenómeno curioso: Como dice la teoría, dos o más partículas pueden estar correlacionadas de tal manera que cualquier cambio en una cambiará simultáneamente la otra, no importa lo lejos que estén.

Los científicos han estado buscando la manera de entrelazar no sólo pares, sino un gran número de átomos; estos conjuntos podrían ser la base para potentes ordenadores cuánticos y relojes atómicos más precisos. Esta última es la motivación del grupo de Vuletic.

Los mejores relojes atómicos actuales se basan en oscilaciones naturales dentro de una nube de átomos atrapados. A medida que los átomos oscilan, actúan como un péndulo, manteniendo el tiempo constante. Un haz de láser dentro del reloj, dirigido a través de la nube de átomos, puede detectar las vibraciones de los átomos, que en última instancia determinan la duración de un solo segundo.

"Los relojes actuales solo estarían retrasados un minuto si funcionaran desde el Big Bang. Pero tenemos la esperanza de llegar aún más lejos", dice Vuletic.

La precisión de los relojes atómicos mejora cuantos más átomos oscilan en la nube. La precisión de los relojes atómicos convencionales es proporcional a la raíz cuadrada del número de átomos: Por ejemplo, un reloj con nueve veces más átomos sólo sería tres veces más preciso.

Si se entrelazaran esos mismos átomos, la precisión de un reloj podría ser directamente proporcional al número de átomos -en este caso, nueve veces más preciso. Cuanto mayor sea el número de partículas entrelazadas mejor será el cronometraje de un reloj atómico.

Ruido cuántico

Hasta el momento los científicos han sido capaces de entrelazar grandes grupos de átomos, aunque la mayoría de los intentos sólo han generado entrelazamiento entre pares de un grupo. Sólo un equipo ha entrelazado con éxito en torno a 100 átomos, el mayor entrelazamiento mutuo hasta la fecha.

Ahora Vuletic y sus colegas han creado con éxito un entrelazamiento mutuo entre 3.000 átomos, prácticamente todos los átomos del conjunto, utilizando luz láser muy débil -pulsos de un solo fotón-. Cuanto más débil es la luz, mejor, dice Vuletic, ya que es menos probable que altere la nube. "El sistema permanece en un estado cuántico relativamente limpio", dice.

Primero, los investigadores enfriaron una nube de átomos, luego los atraparon en una trampa láser, y enviaron un pulso láser débil a través de la nube. A continuación, configuraron un detector para buscar un fotón en particular dentro del haz. Vuletic razonó que si un fotón había pasado a través de la nube de átomos sin interacción, su polarización, o dirección de oscilación, seguiría siendo la misma.

Si, sin embargo, un fotón había interactuado con los átomos, su polarización habría girado ligeramente -una señal de que se vio afectada por el "ruido" cuántico del conjunto de átomos giratorios; el ruido es la diferencia entre el número de átomos que giran en sentido horario y los que giran en sentido antihorario.

"De vez en cuando, se observa un fotón saliente cuyo campo eléctrico oscila en una dirección perpendicular a la de los fotones entrantes", dice Vuletic. "Cuando detectamos un fotón así, sabemos que debe haber sido causado por el conjunto de átomos, y por sorprendente que parezca, esa detección genera un estado muy fuertemente entrelazado de los átomos."

Eugene Polzik, profesor de óptica cuántica en el Instituto Niels Bohr de Copenhague (Dinamarca), que no participó en la investigación, cree que el logro puede ser útil para relojes, detección cuántica de campos magnéticos, y comunicación cuántica.

Vuletic y sus colegas están utilizando actualmente la técnica de detección de fotones individuales para construir un reloj atómico que esperan que supere lo que se conoce como el "límite cuántico estándar": el límite máximo de la precisión de las mediciones en los sistemas cuánticos.

Vuletic dice que la configuración actual puede ser un paso hacia el desarrollo de estados entrelazados aún más complejos. "Este estado particular puede mejorar los relojes atómicos en un factor de dos," concluye.

Referencia bibliográfica:

Robert McConnell, Hao Zhang, Jiazhong Hu, Senka Ćuk, Vladan Vuletić: Entanglement with negative Wigner function of almost 3,000 atoms heralded by one photon. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature14293.