Las tecnologías cuánticas, incluidos sensores avanzados y futuras computadoras cuánticas, dependen del entrelazamiento — esa conexión espeluznante donde las partículas se influyen mutuamente de maneras que le darían dolor de cabeza a cualquier físico clásico. Crear estos estados entrelazados sofisticados tradicionalmente ha requerido equipos sofisticados y sistemas experimentales cuidadosamente diseñados, porque nada que valga la pena en física es fácil.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago (UChicago PME) han propuesto ahora un enfoque mucho más simple. Su nuevo método teórico puede generar y controlar una amplia gama de estados cuánticos entrelazados utilizando herramientas que ya son comunes en muchos laboratorios de física cuántica. El trabajo, publicado en Physical Review X, podría ayudar a avanzar en la detección cuántica de ultra precisión y abrir nuevas oportunidades para explorar la física fundamental.
“Queríamos tomar ingredientes simples que se encuentran en muchas plataformas físicas y combinarlos de manera mínima para obtener algo interesante, complejo y poderoso”, dijo Aashish Clerk, profesor de ingeniería molecular en UChicago PME y autor principal del nuevo estudio. La investigación fue apoyada por Q-NEXT, un Centro Nacional de Investigación en Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) liderado por el Laboratorio Nacional Argonne del DOE.
El enfoque del equipo se basa en la electrodinámica cuántica de cavidades (cavity QED), donde los átomos se colocan dentro de una cavidad óptica — dos espejos que atrapan la luz entre ellos. Las partículas interactúan entonces con la luz confinada. ¿El problema? En muchos sistemas de cavity QED, todos los átomos interactúan con la luz exactamente de la misma manera, haciéndolos efectivamente indistinguibles y restringiendo la gama de estados cuánticos que se pueden producir.
“El desafío siempre ha sido que estos sistemas tienen demasiada simetría”, dijo Clerk. “Todos los átomos hablan con la luz de la misma manera. Eso realmente restringe qué tipo de estados entrelazados obtienes”.
Los investigadores encontraron una solución sencilla: mientras todos los átomos continúan siendo impulsados por el mismo láser, láseres adicionales o campos magnéticos desplazan las energías de los estados excitados de diferentes grupos de átomos. Cada átomo se empareja con otro que tiene un desplazamiento de energía igual pero opuesto. Esta simple modificación rompe la simetría mientras mantiene el sistema controlable y predecible. Al ajustar qué átomos reciben cambios de energía particulares, los científicos pueden sintonizar el sistema para producir una variedad de estados entrelazados sin cambiar el hardware.
“Enciendes estos láseres y esperas, y en algún momento el sistema se estabiliza en un estado cuántico interesante y altamente entrelazado”, dijo Anjun Chu, investigador postdoctoral en el grupo de Clerk y primer autor del nuevo trabajo. “Simplemente ajustando los láseres, podemos acceder a tipos de estados entrelazados que nadie había considerado antes”.
Una aplicación prometedora es la detección cuántica. Los estados cuánticos entrelazados pueden detectar diferencias diminutas en campos magnéticos o gravitacionales entre ubicaciones separadas. Sin embargo, desarrollar estados que sean altamente sensibles y resistentes al ruido ha sido un gran desafío. Los investigadores demostraron que una versión de su sistema con dos grupos de átomos podría medir gradientes de campo — cuando los dos conjuntos atómicos se colocan en diferentes ubicaciones, el estado cuántico resultante refleja la diferencia entre los campos magnéticos o gravitacionales locales mientras rechaza el ruido de fondo que afecta a ambas ubicaciones por igual.
“Puedes hacer dos cosas que normalmente no son compatibles entre sí: usar el entrelazamiento para construir un sensor exquisitamente sensible pero también tener robustez frente a cantidades arbitrariamente grandes de ruido”, dijo Clerk. “Normalmente, el entrelazamiento es muy frágil. Este enfoque tiene una resiliencia asombrosa”.
Otra ventaja: la información almacenada en estos estados cuánticos se puede extraer utilizando técnicas estándar de medición Ramsey, eliminando la necesidad de métodos especializados. Los investigadores también mostraron que la misma plataforma puede generar