Quantum Physics

Medir el mundo con precisión es mucho más difícil de lo que parece. A escalas muy pequeñas, la naturaleza es ruidosa y las reglas de la física cuántica introducen incertidumbre incluso en los mejores instrumentos. Esto limita la exactitud con la que los científicos pueden medir cantidades como los campos electromagnéticos, la gravedad o el tiempo.

Ahora, un nuevo estudio ha demostrado que el entrelazamiento cuántico puede ayudar a superar estas limitaciones de una manera completamente novedosa. Al vincular átomos que se encuentran en diferentes lugares, los autores del estudio han encontrado una forma de medir cómo cambian las cantidades físicas en el espacio con una precisión mucho mayor.

Este trabajo transforma una idea que antes era puramente teórica en un método práctico que podría mejorar algunas de las herramientas de medición más precisas jamás construidas.

“Hasta ahora, nadie ha realizado una medición cuántica de este tipo con nubes atómicas entrelazadas espacialmente, y el marco teórico para tales mediciones tampoco estaba claro”, afirmó Yifan Li, uno de los autores del estudio e investigador postdoctoral en la Universidad de Basilea, en declaraciones a Phys.org.

Dividiendo una nube atómica entrelazada

El experimento comienza con átomos enfriados a temperaturas extremadamente bajas, donde los efectos cuánticos se vuelven dominantes. Cada uno de estos átomos se comporta como un diminuto imán giratorio. La dirección de este giro cambia en respuesta a los campos electromagnéticos, lo que lo convierte en una sonda sensible de su entorno.

Normalmente, cuando muchos átomos se miden de forma independiente, sus fluctuaciones cuánticas aleatorias se suman y limitan la precisión. Para evitar esto, los físicos utilizan el entrelazamiento, un efecto cuántico que une las partículas de tal manera que su comportamiento se correlaciona incluso cuando están muy separadas.

En experimentos anteriores, el entrelazamiento ya se había utilizado para mejorar las mediciones, pero solo cuando todos los átomos se mantenían en el mismo lugar. Esto significaba que los científicos podían medir una sola ubicación muy bien, pero no cómo un campo cambia de una posición a otra.

Separar átomos entrelazados sin destruir su conexión había sido un desafío sin resolver, tanto experimental como teóricamente. Los investigadores resolvieron este problema cambiando el orden de las operaciones. En lugar de separar los átomos primero, comenzaron con una sola nube de átomos ultrarríos y entrelazaron sus espines mientras los átomos aún estaban juntos.

Solo después de que se estableció este vínculo cuántico, dividieron la nube en partes más pequeñas, colocándolas en diferentes ubicaciones. Sorprendentemente, el entrelazamiento sobrevivió a la separación, permitiendo que las nubes atómicas distantes continuaran comportándose como partes de un único sistema cuántico, reflejando el tipo de correlaciones a larga distancia destacadas en la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR).

“Hemos extendido ahora este concepto distribuyendo los átomos en hasta tres nubes espacialmente separadas. Como resultado, los efectos del entrelazamiento actúan a distancia, tal como ocurre en la paradoja de EPR”, explicó Philipp Treutlein, otro de los autores del estudio y profesor de la Universidad de Basilea.

Cada nube separada detectó una porción ligeramente diferente de un campo electromagnético. Al combinar la información de todas las ubicaciones, los investigadores pudieron determinar cómo el campo variaba en el espacio. Dado que las nubes estaban entrelazadas, la incertidumbre cuántica habitual se redujo y las perturbaciones que afectaban a todos los átomos de la misma manera se cancelaron en gran medida.

El equipo también desarrolló el marco teórico que faltaba para describir tales mediciones, mostrando cómo se puede minimizar la incertidumbre cuando se estiman múltiples parámetros a la vez utilizando el entrelazamiento espacialmente distribuido.

¿Cuál es el uso práctico?

Este trabajo introduce un nuevo tipo de sensor cuántico, que está distribuido en el espacio pero funciona como un único instrumento coordinado. La técnica se puede aplicar directamente a los relojes de red óptica, que se basan en un gran número de átomos dispuestos en el espacio para medir el tiempo.

Al reducir los errores causados por las variaciones en las posiciones de los átomos, estos relojes podrían alcanzar niveles de precisión aún mayores. El método también es prometedor para los gravímetros basados en átomos, donde detectar cómo cambia la gravedad en diferentes ubicaciones es más importante que medir su intensidad promedio.

Sin embargo, el enfoque propuesto es técnicamente exigente. Mantener el entrelazamiento mientras se dividen y controlan múltiples nubes atómicas requiere una estabilidad y precisión extremas, y extender el método a distancias mayores o a más puntos de medición no será fácil.

Los investigadores ahora planean refinar sus protocolos y probarlos en instrumentos de precisión del mundo real.

El estudio se publica en la revista Science.