Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han demostrado el entrelazamiento – un peculiar fenómeno a la escala atómica del mundo cuántico — en un sistema mecánico similar a los usados en el mundo macroscópico cotidiano. El trabajo extiende los límites de la arena donde puede observarse el comportamiento cuántico y demuestra como la tecnología de los laboratorios podría ser aumentada de escala para construir un ordenador cuántico funcional.
La investigación implica una extraña interconexión entre dos pares de iones vibrantes (átomos cargados) de tal forma que el par vibra al unísono, incluso cuando se les separa en el espacio. Cada par de iones se comprota como dos bolas conectadas por un muelle, vibrando atrás y adelante en sentidos opuestos. Los objetos familiares que vibran de esta forma incluyen péndulos y cuerdas de violines.
El logro del NIST proporciona una visión sobre dónde y cómo los objetos “clásicos” pueden exhibir el inusual comportamiento cuántico. La demostración también mostró técnicas que ayudarán a aumentar de escala la tecnología de trampa de iones para construir potencialmente computadoras ultra-potentes basadas en las reglas de la física cuántica. Si pueden construirse, los ordenadores cuánticos pueden ser capaces de resolver ciertos problemas, tales como ruptura de códigos, exponencialmente más rápido que las computadoras actuales.
“Nadie sabe realmente, dónde está el límite entre los mundos cuántico y clásico”, dice el investigador invitado del NIST John Jost, estudiante graduado de la Universidad de Colorado en Boulder y primer autor del artículo. “Tal vez podamos responder la pregunta descubriendo qué tipos de cosas pueden – y no pueden – entrelazarse. Hemos entrelazado algo que nunca antes lo había sido, y es el tipo de sistema oscilatorio físico que ves en el mundo clásico, sólo que mucho más pequeño”.
Los osciladores mecánicos tales como dos relojes con péndulos ya han sido sincronizados con anterioridad, pero sus vibraciones aún podían ser independientes, por lo que los cambios en uno no tenían efectos sobre el otro. El entrelazamiento cuántico — “la acción fantasmal a distancia”, en palabras de Einstein — es un proceso mucho menor intuitivo: Si dos objetos están entrelazados, entonces al manipular uno se afecta instantáneamente al otro, ni importa lo lejos que se encuentre. Los objetos entrelazados no tienen necesariamente propiedades idénticas, simplemente propiedades que están vinculadas de formas predecibles.
Jost y sus colegas entrelazaron los movimientos vibratorios de dos osciladores mecánicos separados, cada uno de ellos constando de un ión de berilio y otro de magnesio. Cada par se comporta como dos objetos conectados por un muelle de 4 micrómetros (millonésimas de metro) de largo, con el berilio y el magnesio moviéndose atrás y adelante en sentidos opuestos, primero acercándose y luego alejándose, sucesivamente. Los dos pares realizan el movimiento al unísono, incluso aunque están separados 240 micrómetros y situados en distintas zonas de una trampa de iones. Los científicos crearon el estado de entrelazamiento deseado al menos durante el 57 por ciento del tiempo que lo intentaron, y han identificado formas de mejorar este índice de éxito.
El experimento del NIST sugiere que los osciladores mecánicos pueden tomar parte tanto en el mundo clásico como en el cuántico, poseyendo algunas características de cada uno, dependiendo en parte de la energía y otras propiedades de las vibraciones. Los experimentos también lograron la primera demostración combinada de la colocación de iones distintos en un orden deseado, separando y re-enfriándolos mientras preservan el entrelazamiento, y luego realizando posteriores operaciones cuánticas con los iones. Estas técnicas podrían ayudar a los científicos a construir ordenadores cuánticos a gran escala que usen cientos de iones para almacenar datos y realizar muchos pasos computacionales. El mismo grupo del NIST ha demostrado anteriormente los bloques básicos de un ordenador cuántico usando trampas de iones, así como operaciones lógicas rudimentarias.
Para entrelazar en movimiento de los dos osciladores, el grupo del NIST colocó primero cuatro iones juntos en una zona de trampa en un orden lineal concreto (Be-Mg-Mg-Be), y entrelazó los estados de energía interna de los dos iones de berilio. El equipo entonces separó los cuatro iones en dos pares, con cada uno de ellos conteniendo uno de los iones entrelazados. Finalmente, los científicos transfirieron el entrelazamiento de los estados internos de los iones de berilio al movimiento oscilatorio de los pares de iones separados.
Cómo entrelazó el NIST dos osciladores mecánicos
Los físicos del NIST entrelazaron dos sistemas mecánicos vibratorios cada uno constando de un ión de berilio y uno de magnesio, en un experimento que requirió 12 milisegundos, incluyendo la verificación de los resultados, e implicó aproximadamente 600 pulsos láser. Los pasos de abajo extienden la información proporcionada en la figura.
Paso 1 — Inicialmente, los cuatro iones están colocados en la misma zona de una trampa de iones y se enfrían mediante láser a temperaturas muy bajas. Ajustando los voltajes de los electrodos de la trampa los científicos ordenaros los iones de una forma concreta, con los iones más pesados de magnesio entre los iones de berilio. Usando una técnica desarrollada para la computación cuántica hace varios años, los científicos entrelazaron los dos “estados de espín” internos de los dos iones de berilio, que son análogos a diminutos iones que apuntan arriba o abajo. Dos rayos láser ultravioleta, posicionados en ángulos rectos, provocan una oscilación en los iones. Los lásers están ajustados de tal forma que la diferencia entre sus frecuencias es muy cercana a la frecuencia es muy de una de las vibraciones naturales de los iones, el índice al cual oscila adelante y atrás. Basándose en las diferencias en sus espines, los iones “sienten” una fuerza láser distinta que provoca que los iones oscilen de una forma concreta. Este acoplamiento de los estados de espín establece que el movimiento tenga el efecto global de entrelazar los espines de los iones de berilio de una forma controlada.
Paso 2 — Se aplican voltajes al electrodo X para separar los iones en dos pares, los cuales se distribuyen a distintas zonas de la trampa adyacentes a los electrodos A y B. La separación y transporte aumenta la energía del movimiento en los iones oscilatorios.
Paso 3 — Los iones de magnesio se enfrían con láser para eliminar el exceso de energía de movimiento de los iones de berilio, un proceso llamado enfriamiento simpatético debido a que un tipo de ión enfría a otro. Esta es la primera vez que los iones entrelazados han sido re-enfriados antes de operaciones posteriores, una técnica que se espera que sea útil en la computación.
Paso 4 — Manipulando el color y orientación de los láser en una secuencia de pulsos de intensidad y duración específica, los científicos transfieren el entrelazamiento de los espines del berilio al movimiento. Los dos osciladores mecánicos están ahora entrelazados. En condiciones ideales, los iones de magnesio y berilio oscilan adelante y atrás en sentidos opuestos, acercándose y alejándose. Los dos pares realizan un movimiento al unísono, incluso aunque están separados 240 micrómetros y situados en distintas zonas de la trampa.
Los científicos no son capaces de medir los movimientos entrelazados directamente. En lugar de esto, para verificar los resultados, llevan a cabo un procedimiento de limpieza parcialmente durante el experimento para asegurar que el entrelazamiento se ha transferido con éxito del espín de los iones al movimiento mecánico. Entonces, al final del experimento, básicamente revierten el proceso para transferir el entrelazamiento del movimiento del ión de vuelta al espín, para reproducir los estados de espín iniciales del berilio, los cuales pueden medir a través de la luz dispersada por los iones de berilio (el espín arriba dispersa la luz, mientras que el espín abajo no).
La investigación fue patrocinada en parte por la Actividad de Proyectos de Investigación de Inteligencia Avanzada. Los autores incluyen a antiguos becarios de posdoctorado del NIST actualmente en el Instituto Weizmann de Ciencia en Israel y Lockheed Martin de Littleton, Colorado.
Artículo: J.D. Jost, J.P. Home, J.M. Amini, D. Hanneke, R. Ozeri, C. Langer, J.J. Bollinger, D. Leibfried&D.J. Wineland. 2009. Entangled Mechanical Oscillators. Nature. June 4, 2009.
Fecha Original: 3 de junio de 2009
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