La detección mejorada de entrelazamiento allana el camino para sensores cuánticos avanzados

Por Universidad de Innsbruck 30 de agosto de 2023

Los físicos de Innsbruck entrelazaron entre sí todas las partículas de la cadena y generaron el llamado estado cuántico comprimido. Crédito: Steven Burrows y Rey Group/JILA

Las instituciones metrológicas de todo el mundo administran nuestro tiempo utilizando relojes atómicos basados ​​en las oscilaciones naturales de los átomos. Estos relojes, fundamentales para aplicaciones como la navegación por satélite o la transferencia de datos, se han mejorado recientemente mediante el uso de frecuencias de oscilación cada vez más altas en relojes atómicos ópticos.

Now, scientists at the University of Innsbruck and the Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) of the Austrian Academy of Sciences led by Christian Roos show how a particular way of creating entanglement can be used to further improve the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">La precisión de las mediciones es parte integral de la función de un reloj atómico óptico.

Las observaciones de sistemas cuánticos siempre están sujetas a una cierta incertidumbre estadística. "Esto se debe a la naturaleza del mundo cuántico", explica Johannes Franke, del equipo de Christian Roos. "El entrelazamiento puede ayudarnos a reducir estos errores".

Con el apoyo de la teórica Ana María Rey de JILA en Boulder, EE. UU., los físicos de Innsbruck probaron en el laboratorio la precisión de la medición en un conjunto entrelazado de partículas. Los investigadores utilizaron láseres para sintonizar la interacción de iones alineados en una cámara de vacío y los entrelazaron.

“La interacción entre partículas vecinas disminuye con la distancia entre las partículas. Por lo tanto, utilizamos interacciones de intercambio de espín para permitir que el sistema se comporte de manera más colectiva”, explica Raphael Kaubrügger del Departamento de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck.

Así, todas las partículas de la cadena se entrelazaron entre sí y produjeron el llamado estado cuántico comprimido. Con esto, los físicos pudieron demostrar que los errores de medición se pueden reducir aproximadamente a la mitad entrelazando 51 iones en relación con partículas individuales. Anteriormente, la detección mejorada por entrelazamiento se basaba principalmente en infinitas interacciones, lo que limitaba su aplicabilidad sólo a determinadas plataformas cuánticas.

Los físicos cuánticos de Innsbruck demostraron con sus experimentos que el entrelazamiento cuántico hace que los sensores sean aún más sensibles. "En nuestros experimentos utilizamos una transición óptica que también se utiliza en los relojes atómicos", afirma Christian Roos. Esta tecnología podría mejorar áreas donde actualmente se utilizan relojes atómicos, como la navegación por satélite o la transferencia de datos. Además, estos relojes avanzados podrían abrir nuevas posibilidades en ámbitos como la búsqueda de materia oscura o la determinación de variaciones temporales de constantes fundamentales.

Christian Roos y su equipo quieren probar ahora el nuevo método en conjuntos de iones bidimensionales. Los resultados actuales fueron publicados en la revista Nature. En el mismo número, los investigadores publicaron resultados muy similares utilizando átomos neutros. La investigación en Innsbruck contó con el apoyo financiero del Fondo Austriaco para la Ciencia FWF y la Federación de Industrias Austriacas del Tirol, entre otros.

Referencia: “Detección cuántica mejorada en transiciones ópticas a través de interacciones de rango finito” por Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi y Christian F. Roos, 30 de agosto 2023, Naturaleza.DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z