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2022-07-15Los físicos aprovechan la inversión del tiempo, cuántica para medir los átomos que vibran

MIT |Una nueva técnica podría mejorar la precisión de los relojes atómicos y de los sensores cuánticos para detectar materia oscura u ondas gravitacionales.

Las vibraciones cuánticas en los átomos contienen un mundo de información en miniatura. Si los científicos pueden medir con precisión estas oscilaciones atómicas y cómo evolucionan con el tiempo, pueden perfeccionar la precisión de los relojes atómicos y de los sensores cuánticos, que son sistemas de átomos cuyas fluctuaciones pueden indicar la presencia de materia oscura, una onda gravitatoria pasajera, o incluso fenómenos nuevos e inesperados.

Un obstáculo importante en el camino hacia mejores mediciones cuánticas es el ruido del mundo clásico, que puede superar fácilmente las vibraciones atómicas sutiles, haciendo que cualquier cambio en esas vibraciones sea diabólicamente difícil de detectar.

Ahora, los físicos del MIT han demostrado que pueden amplificar significativamente los cambios cuánticos en las vibraciones atómicas, sometiendo las partículas a dos procesos clave: entrelazamiento cuántico e inversión del tiempo.

Antes de comenzar a comprar DeLoreans, no, no han encontrado una manera de revertir el tiempo. Más bien, los físicos han manipulado átomos entrelazados cuánticamente de manera que las partículas se comportan como si estuvieran evolucionando hacia atrás en el tiempo. A medida que los investigadores rebobinaban efectivamente la cinta de las oscilaciones atómicas, cualquier cambio en esas oscilaciones se amplificaba, de una manera que podía medirse fácilmente.


En un artículo que aparece hoy en Nature Physics , el equipo demuestra que la técnica, a la que denominaron SATIN (para amplificación de señal a través de la inversión del tiempo), es el método más sensible para medir las fluctuaciones cuánticas desarrollado hasta la fecha.

La técnica podría mejorar la precisión de los relojes atómicos actuales de última generación en un factor de 15, haciendo que su sincronización sea tan precisa que durante toda la edad del universo los relojes estarían menos de 20 milisegundos. El método también podría usarse para enfocar aún más los sensores cuánticos que están diseñados para detectar ondas gravitacionales, materia oscura y otros fenómenos físicos.

"Creemos que este es el paradigma del futuro", dice el autor principal Vladan Vuletic, profesor de física Lester Wolfe en el MIT. “Cualquier interferencia cuántica que funcione con muchos átomos puede beneficiarse de esta técnica”.

Los coautores del estudio del MIT incluyen al primer autor Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Méndez y Chi Shu.

Cronometradores enredados

Un tipo dado de átomo vibra a una frecuencia particular y constante que, si se mide adecuadamente, puede servir como un péndulo muy preciso, manteniendo el tiempo en intervalos mucho más cortos que el segundo de un reloj de cocina. Pero a la escala de un solo átomo, las leyes de la mecánica cuántica toman el control y la oscilación del átomo cambia como la cara de una moneda cada vez que se lanza. Solo al tomar muchas medidas de un átomo, los científicos pueden obtener una estimación de su oscilación real, una limitación conocida como Límite Cuántico Estándar.

En relojes atómicos de última generación, los físicos miden la oscilación de miles de átomos ultrafríos, muchas veces, para aumentar sus posibilidades de obtener una medición precisa. Aún así, estos sistemas tienen cierta incertidumbre y su cronometraje podría ser más preciso.

En 2020, el grupo de Vuletic demostró que la precisión de los relojes atómicos actuales podría mejorarse entrelazando los átomos, un fenómeno cuántico por el cual las partículas se ven obligadas a comportarse en un estado colectivo altamente correlacionado. En este estado entrelazado, las oscilaciones de los átomos individuales deberían cambiar hacia una frecuencia común que requeriría muchos menos intentos de medir con precisión.

"En ese momento, todavía estábamos limitados por lo bien que podíamos leer la fase del reloj", dice Vuletic.

Es decir, las herramientas utilizadas para medir las oscilaciones atómicas no eran lo suficientemente sensibles para leer o medir cualquier cambio sutil en las oscilaciones colectivas de los átomos.

Invertir el signo

En su nuevo estudio, en lugar de intentar mejorar la resolución de las herramientas de lectura existentes, el equipo buscó aumentar la señal de cualquier cambio en las oscilaciones, de modo que pudieran leerse con las herramientas actuales. Lo hicieron aprovechando otro curioso fenómeno de la mecánica cuántica: la inversión del tiempo.

Se cree que un sistema puramente cuántico, como un grupo de átomos que está completamente aislado del ruido clásico cotidiano, debería evolucionar en el tiempo de manera predecible, y las interacciones de los átomos (como sus oscilaciones) deberían describirse con precisión mediante el “Hamiltoniano” del sistema — esencialmente, una descripción matemática de la energía total del sistema. 

En la década de 1980, los teóricos predijeron que si se invirtiera el hamiltoniano de un sistema y se hiciera que el mismo sistema cuántico dejara de evolucionar, sería como si el sistema retrocediera en el tiempo.

“En mecánica cuántica, si conoces el hamiltoniano, puedes rastrear lo que hace el sistema a lo largo del tiempo, como una trayectoria cuántica”, explica Pedrozo-Peñafiel. “Si esta evolución es completamente cuántica, la mecánica cuántica te dice que puedes dejar de evolucionar, o regresar y volver al estado inicial”.

“Y la idea es que, si pudiera invertir el signo del hamiltoniano, cada pequeña perturbación que ocurriera después de que el sistema evolucionara hacia adelante se amplificaría si retrocediera en el tiempo”, agrega Colombo.

Para su nuevo estudio, el equipo estudió 400 átomos ultrafríos de iterbio, uno de los dos tipos de átomos que se utilizan en los relojes atómicos actuales. Enfriaron los átomos a solo un cabello por encima del cero absoluto, a temperaturas en las que la mayoría de los efectos clásicos, como el calor, se desvanecen y el comportamiento de los átomos se rige únicamente por efectos cuánticos.

El equipo usó un sistema de láseres para atrapar los átomos, luego envió una luz de "enredo" teñida de azul, que obligó a los átomos a oscilar en un estado correlacionado. Dejaron que los átomos entrelazados evolucionaran en el tiempo y luego los expusieron a un pequeño campo magnético, que introdujo un pequeño cambio cuántico, cambiando ligeramente las oscilaciones colectivas de los átomos.

Tal cambio sería imposible de detectar con las herramientas de medición existentes. En cambio, el equipo aplicó la inversión del tiempo para impulsar esta señal cuántica. Para hacer esto, enviaron otro láser teñido de rojo que estimuló a los átomos a desenredarse, como si estuvieran evolucionando hacia atrás en el tiempo.

Luego midieron las oscilaciones de las partículas a medida que volvían a establecerse en sus estados desenredados y descubrieron que su fase final era marcadamente diferente de su fase inicial, una clara evidencia de que se había producido un cambio cuántico en algún lugar de su evolución hacia adelante.

El equipo repitió este experimento miles de veces, con nubes de 50 a 400 átomos, observando cada vez la amplificación esperada de la señal cuántica. Descubrieron que su sistema entrelazado era hasta 15 veces más sensible que los sistemas atómicos similares no entrelazados. Si su sistema se aplica a los relojes atómicos de última generación actuales, reduciría el número de mediciones que requieren estos relojes, por un factor de 15.

En el futuro, los investigadores esperan probar su método en relojes atómicos, así como en sensores cuánticos, por ejemplo, para la materia oscura.

"Una nube de materia oscura que flota en la Tierra podría cambiar el tiempo localmente, y lo que algunas personas hacen es comparar relojes, por ejemplo, en Australia con otros en Europa y EE. UU. para ver si pueden detectar cambios repentinos en la forma en que pasa el tiempo", dice Vuletic. . "Nuestra técnica se adapta exactamente a eso, porque tienes que medir variaciones de tiempo que cambian rápidamente a medida que pasa la nube".

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval.

MIT
Autor
MIT

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