Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han aprovechado el fenómeno de "compresión cuántica" para amplificar y medir movimientos de billonésimas de metro de un ion de magnesio atrapado solitario átomo cargado eléctricamente.
Descrito en la edición del 21 de junio de ciencia , el método de compresión rápida y reversible del NIST podría mejorar la detección de campos eléctricos extremadamente débiles en aplicaciones de ciencias de la superficie, por ejemplo, o detectar la absorción de cantidades muy pequeñas de luz en dispositivos como relojes atómicos. La técnica también podría acelerar las operaciones en uncomputadora cuántica.
"Al usar la compresión, podemos medir con mayor sensibilidad de la que podría lograrse sin efectos cuánticos", dijo el autor principal Shaun Burd.
"Demostramos uno de los niveles más altos de compresión cuántica jamás reportados y lo usamos para amplificar pequeños movimientos mecánicos", dijo el físico del NIST Daniel Slichter. "Somos 7.3 veces más sensibles a estos movimientos de lo que sería posible sin el uso de estetécnica."
Aunque exprimir una naranja puede hacer un desastre jugoso, exprimir cuántica es un proceso muy preciso, que mueve la incertidumbre de medición de un lugar a otro.
Imagine que está sosteniendo un globo largo y el aire dentro de él representa incertidumbre. Apretar cuánticamente es como pellizcar el globo en un extremo para empujar el aire hacia el otro extremo. Mueve la incertidumbre desde un lugar donde desea mediciones más precisas, hastaotro lugar, donde puedes vivir con menos precisión, manteniendo la incertidumbre total del sistema igual.
En el caso del ion de magnesio, las mediciones de su movimiento normalmente están limitadas por las llamadas fluctuaciones cuánticas en la posición y el momento del ion, que ocurren todo el tiempo, incluso cuando el ion tiene la energía más baja posible. Apretar manipula estas fluctuaciones, por ejemplo, empujando la incertidumbre desde la posición al impulso cuando se desea mejorar la sensibilidad de la posición.
En el método del NIST, un solo ion se mantiene en el espacio 30 micrómetros millonésimas de metro sobre un chip de zafiro plano cubierto con electrodos dorados utilizados para atrapar y controlar el ion. Se aplican pulsos de láser y microondas para calmar los electrones y los iones del ion.movimiento a sus estados de energía más baja. El movimiento se exprime al mover el voltaje en ciertos electrodos al doble de la frecuencia natural del movimiento de iones de ida y vuelta. Este proceso dura solo unos pocos microsegundos.
Después de apretar, se aplica una pequeña "señal de prueba" de campo eléctrico oscilante al ion para que se mueva un poco en el espacio tridimensional. Para amplificarlo, este movimiento adicional debe estar "sincronizado" con elapretando
Finalmente, el paso de compresión se repite, pero ahora con los voltajes de los electrodos exactamente fuera de sincronización con los voltajes de compresión originales. Esta compresión no sincronizada revierte la compresión inicial; sin embargo, al mismo tiempo amplifica el pequeño movimiento causadopor la señal de prueba. Cuando se completa este paso, la incertidumbre en el movimiento del ion vuelve a su valor original, pero el movimiento de ida y vuelta del ion es mayor que si la señal de prueba se hubiera aplicado sin ninguna presiónpasos.
Para obtener los resultados, se aplica un campo magnético oscilante para mapear o codificar el movimiento del ion en su estado electrónico de "giro", que luego se mide iluminando con un láser el ion y observando si es fluorescente.
El uso de una señal de prueba permite a los investigadores del NIST medir cuánta amplificación proporciona su técnica. En una aplicación de detección real, la señal de prueba se reemplazaría por la señal real que se amplificará y medirá.
El método NIST puede amplificar y medir rápidamente los movimientos iónicos de solo 50 picómetros billonésimas de metro, que es aproximadamente una décima parte del tamaño del átomo más pequeño hidrógeno y aproximadamente una centésima parte del tamaño de las fluctuaciones cuánticas no comprimidasIncluso los movimientos más pequeños se pueden medir repitiendo el experimento más veces y promediando los resultados. La técnica de amplificación basada en la compresión permite detectar movimientos de un tamaño determinado con 53 veces menos mediciones de las que de otro modo serían necesarias.
La compresión se ha logrado previamente en una variedad de sistemas físicos, incluidos los iones, pero el resultado del NIST representa una de las mejoras de detección basadas en compresión más grandes jamás reportadas.
El nuevo método de compresión de NIST puede aumentar la sensibilidad de medición en sensores cuánticos y podría usarse para crear enredos más rápidamente, lo que vincula las propiedades de las partículas cuánticas, acelerando así la simulación cuántica y las operaciones de computación cuántica. Los métodos también podrían usarse para generar movimientos exóticosEl método de amplificación es aplicable a muchos otros objetos mecánicos vibrantes y otras partículas cargadas como los electrones.
Este trabajo fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación del Ejército y la Oficina de Investigación Naval.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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