Nada en la ciencia puede lograrse o entenderse sin medición. Hoy en día, gracias a los avances en la detección cuántica, los científicos pueden medir cosas que antes 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 una técnica de mecánica cuántica llamada “expresión de espín” 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 pusieron a su alcance la compresión del espín aún más.
Un tipo de entrelazamiento cuántico, la compresión del espín evita que un conjunto de partículas oscile. Esto permite una medición más precisa de ciertas señales observables, a expensas de medir con precisión otras señales complementarias; piense en cómo apretar un globo para ganar más altura a expensas de su ancho.
“La mecánica cuántica puede aumentar nuestra capacidad para medir señales muy pequeñas”, dijo Norman Yao, profesor de física y autor del nuevo artículo sobre la compresión del espín. Física de la naturaleza. “Hemos demostrado que es posible obtener esta metrología mejorada cuántica en una clase de sistemas mucho más amplia de lo que se pensaba anteriormente”.
En la metáfora del globo, un círculo representa la incertidumbre inherente a cualquier medición cuántica, explicó Maxwell Block, coautor del artículo y ex estudiante de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias Griffin. “Al reducir esta incertidumbre, haciendo que el globo sea una elipse, se puede remodelar la sensibilidad de la medición”, dijo Block. “Esto significa que algunas mediciones pueden ser más precisas que cualquier otra cosa sin la mecánica cuántica”.
Por ejemplo, se utilizó un análogo de la compresión del espín para aumentar la sensibilidad del detector de ondas gravitacionales Nobel-Garnering en el experimento LIGO.
El trabajo del equipo de Harvard se basa en un artículo histórico de 1993 que describió por primera vez la posibilidad de un estado entrelazado y comprimido por espín provocado por interacciones “todos contra todos” entre átomos. Estas interacciones se asemejan a una gran reunión de Zoom, donde cada participante se comunica con todos los demás a la vez. Dentro de los átomos, este acoplamiento permite fácilmente la creación de correlaciones mecánicas cuánticas necesarias para inducir un estado de espín comprimido. Sin embargo, en la naturaleza, los átomos suelen comunicarse de forma similar a un juego de teléfono, hablando sólo con unos pocos vecinos a la vez.
“Durante varios años, se pensó que sólo se podía obtener un verdadero espín mejorado cuánticamente exprimido a través de interacciones de todos con todos”, dijo Bingtian Ye, coautor principal del artículo y ex miembro de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias Griffin. . Estudiante “Pero lo que hemos demostrado es que en realidad es mucho más fácil”.
En su artículo, los investigadores describen una nueva técnica para crear entrelazamientos comprimidos por espín. Fueron intuitivos y rápidamente confirmaron a través de experimentos junto con colaboradores en Francia que los elementos de compresión del espín estaban presentes en un tipo ubicuo de magnetismo que a menudo se encuentra en la naturaleza: el ferromagnetismo, la fuerza que hace que los imanes de refrigerador se peguen. Encuentran que las interacciones de todos con todos no son necesarias para lograr la compresión del espín, sino que, siempre que los espines estén lo suficientemente bien acoplados para sincronizarse en un estado magnético, deberían poder producir una compresión del espín dinámicamente.
Los investigadores esperan que al reducir la barrera a la 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 compresión de espín en sensores cuánticos fabricados a partir de centros de vacantes de nitrógeno, un tipo de defecto en la estructura cristalina del diamante que desde hace tiempo se reconoce como el 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.