Los átomos dentro de una cavidad óptica intercambian estados de impulso “jugando a atrapar” con fotones. Cuando los átomos absorben fotones de un láser aplicado, toda la nube de átomos retrocede en lugar de los átomos individuales. Crédito: Steven Burrows/Rey, Thompson and Holland Groups, editado
Investigadores de JILA y NIST han desarrollado una técnica para mitigar el retroceso atómico en mediciones cuánticas utilizando interacciones de intercambio de impulso dentro de un sistema de cavidades. Este avance podría mejorar significativamente la precisión de sensores cuánticos y permitir nuevos descubrimientos en física cuántica.
Debido al retroceso atómico, medir con precisión los estados de energía de los átomos individuales es un desafío histórico para los físicos. Cuando un átomo interactúa con un fotón, el átomo “retrocede” en la dirección opuesta, lo que dificulta medir con precisión la posición y el impulso del átomo. Este paso atrás puede tener grandes implicaciones para la detección cuántica, que detecta cambios mínimos en los parámetros, por ejemplo utilizando cambios en las ondas gravitacionales para determinar la forma de la Tierra o incluso detectar materia oscura.
Los becarios de JILA y NIST Ana María Rey y James Thompson, el becario de JILA Murray Holland y sus equipos propusieron una forma de superar este retroceso atómico demostrando un nuevo tipo de interacción atómica llamada interacción de intercambio de impulso, donde los átomos intercambian sus impulsos intercambiando los correspondientes. fotones. . Los detalles de la investigación se han publicado en un nuevo artículo de revista. Ciencia.
Utilizando una cavidad, un espacio cerrado hecho de espejos, los investigadores observaron que el retroceso atómico era atenuado por los átomos que intercambiaban estados de energía en el espacio confinado. Este proceso creó una absorción colectiva de energía y dispersó el retroceso entre toda la población de partículas.
Los átomos dentro de una cavidad óptica intercambian estados de impulso “jugando a atrapar” con fotones. Cuando los átomos absorben fotones de un láser aplicado, toda la nube de átomos retrocede en lugar de los átomos individuales. Crédito: Steven Burrows/grupos Holland, Rey y Thompson
Con estos resultados, otros investigadores pueden diseñar cavidades para amortiguar el retroceso y otros efectos externos en una amplia gama de experimentos, lo que puede ayudar a los físicos a comprender mejor los sistemas complejos o descubrir nuevos aspectos de la física cuántica. Un diseño de cavidad mejorado también podría permitir simulaciones más precisas de la superconductividad, como en el caso del cruce Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) o de los sistemas físicos de alta energía.
Por primera vez, se observó que la interacción de intercambio de impulso induce dinámica de torsión en el eje (OAT), un aspecto del entrelazamiento cuántico, entre estados de impulso atómico. La OAT actúa como una trenza cuántica para entrelazar diferentes moléculas, con cada estado cuántico retorcido y conectado a otra partícula.
Anteriormente, la OAT solo se observaba en los estados internos de los átomos, pero ahora, con estos nuevos resultados, se cree que la OAT inducida por el intercambio de impulso podría ayudar a reducir el ruido cuántico de múltiples átomos. Ser capaz de entrelazar estados de impulso también podría conducir a la mejora de ciertas mediciones físicas realizadas por sensores cuánticos, como ondas gravitacionales.
Aprovechando una red de densidad
En el nuevo estudio, inspirado en investigaciones anteriores de Thompson y su equipo, los investigadores examinaron los efectos de la superposición cuántica, que permite que partículas como fotones o electrones existan en múltiples estados cuánticos simultáneamente.
“En este (nuevo) proyecto, todos los átomos comparten la misma etiqueta de espín; la única diferencia es que cada átomo está en una superposición entre dos estados de impulso”, explicó Chengyi Luo, estudiante de posgrado y primer autor.
Los investigadores descubrieron que podían controlar mejor el retroceso atómico obligando a los átomos a intercambiar fotones y sus energías asociadas. De manera similar a un juego de balón prisionero, un átomo puede “lanzar” una “bola quemado” (un fotón) y volar de regreso en la dirección opuesta. Esta “bola de balón prisionero” puede ser atrapada por un segundo átomo, lo que puede provocar el mismo retroceso para ese segundo átomo. Esto anula los dos retrocesos experimentados por los dos átomos y los promedia para todo el sistema de cavidades.
Cuando dos átomos intercambian sus diferentes energías fotónicas, el paquete de ondas resultante (la distribución de ondas de un átomo) en superposición forma un gráfico de momento conocido como red de densidad, que se asemeja a un peine de dientes finos.
—añadió Luo. “La formación de la red de densidad indica que dos estados de momento (dentro del átomo) son ‘coherentes’ entre sí, por lo que podrían interferir (entre sí). » Los investigadores descubrieron que el intercambio de fotones entre los átomos hacía que los paquetes de ondas de los dos átomos se unieran, de modo que ya no eran mediciones separadas.
Los investigadores podrían inducir el intercambio de impulso explorando la interacción entre la red de densidad y la cavidad óptica. Como los átomos intercambiaban energía, cualquier retroceso debido a la absorción de un fotón se dispersaba entre toda la comunidad de átomos y no entre partículas individuales.
Humedecer el desplazamiento Doppler
Utilizando este nuevo método de control, los investigadores descubrieron que también podían utilizar este sistema de amortiguación de retroceso para ayudar a aliviar un problema de medición aparte: el desplazamiento Doppler.
El cambio Doppler, un fenómeno de la física clásica, explica por qué el sonido de una sirena o la bocina de un tren cambia de tono cuando pasa junto a un oyente o por qué algunas estrellas aparecen rojas o azules en las imágenes del cielo nocturno. Es el cambio de frecuencia de la onda a medida que la fuente y el observador se acercan (o alejan) uno del otro. En física cuántica, el desplazamiento Doppler describe el cambio de energía de una partícula debido al movimiento relativo.
Para investigadores como Luo, el desplazamiento Doppler puede ser un desafío para obtener una medición precisa. “Al absorber fotones, el retroceso atómico provocará un cambio Doppler en la frecuencia del fotón, lo cual es un gran problema cuando se habla de espectroscopia de precisión”, explicó. Al simular su nuevo método, los investigadores descubrieron que podía superar los sesgos de medición debidos al desplazamiento Doppler.
Intercambio de impulso enredado
Los investigadores también descubrieron que el intercambio de impulso entre estos átomos podría utilizarse como una especie de entrelazamiento cuántico. Como explica John Wilson, estudiante de posgrado del grupo de Holland: “Cuando un átomo cae, su movimiento hace que la frecuencia de la cavidad se mueva. Esto, a su vez, anima a otros átomos a sentir colectivamente este mecanismo de retroalimentación y les hace correlacionar sus movimientos a través de las oscilaciones compartidas.
Para probar más a fondo este “entrelazamiento”, los investigadores crearon una mayor separación entre los estados de impulso de los átomos y luego indujeron el intercambio de impulso. Los investigadores descubrieron que los átomos seguían comportándose como si estuvieran conectados. “Esto indica que los dos estados de impulso en realidad oscilan entre sí como si estuvieran conectados por un resorte”, añadió Luo.
De cara al futuro, los investigadores planean profundizar en esta nueva forma de entrelazamiento cuántico, con la esperanza de comprender mejor cómo se puede utilizar para mejorar varios tipos de dispositivos cuánticos.
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencias, los Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica y el Acelerador de Sistemas Cuánticos.
