Descubren un método sencillo para crear potentes estados cuánticos

El avance en el campo de la cuántica ha sido logrado por un equipo de investigadores de la Universidad de Chicago, quienes descubrieron un método sorprendentemente sencillo para generar potentes estados cuánticos que normalmente son difíciles de producir. Mediante ajustes mínimos en los niveles de energía de los átomos dentro de una cavidad óptica, los científicos lograron generar una amplia variedad de estados altamente entrelazados sin necesidad de incorporar hardware complicado.

Este trabajo, publicado en la revista Physical Review X, podría facilitar el desarrollo de tecnologías cuánticas avanzadas, como sensores ultra precisos, y abrir nuevas oportunidades para explorar la física fundamental. Según el profesor Aashish Clerk, autor principal del estudio, "buscamos tomar ingredientes simples que se encuentran en muchas plataformas físicas y combinarlos de manera mínima para obtener algo interesante, complejo y poderoso".

La investigación fue respaldada por Q-NEXT, un centro de investigación de ciencia de información cuántica del Departamento de Energía de EE. UU., liderado por el Laboratorio Nacional Argonne. La propuesta se basa en la electrodinámica cuántica de cavidad, comúnmente conocida como cavity QED. En estos experimentos, los átomos o partículas se colocan dentro de una cavidad óptica, compuesta por dos espejos que atrapan la luz entre ellos, lo que permite que las partículas interactúen con la luz confinada.

Una limitación de muchos sistemas de cavity QED es que todos los átomos interactúan con la luz de la misma manera. Esta homogeneidad restringe el rango de estados cuánticos que se pueden producir. "El desafío siempre ha sido que estos sistemas tienen demasiada simetría. Todos los átomos interactúan con la luz de la misma manera", explicó Clerk.

Los investigadores encontraron una forma sencilla de reducir la simetría del sistema. Aunque todos los átomos son impulsados por el mismo láser, se utilizan láseres adicionales o campos magnéticos para desplazar las energías del estado excitado de diferentes grupos de átomos. De esta manera, cada átomo se empareja con otro que tiene un desplazamiento de energía igual pero opuesto. Esta modificación permite que los átomos se comporten de manera diferente, manteniendo la estructura suficiente para que el sistema siga siendo controlable y predecible.

El enfoque tiene aplicaciones prometedoras en el campo de la sensibilidad cuántica. Teóricamente, los estados cuánticos entrelazados pueden detectar diferencias extremadamente pequeñas en campos magnéticos o gravitacionales entre diferentes ubicaciones. Sin embargo, desarrollar estados que sean altamente sensibles y resistentes al ruido ha sido un desafío importante.

Los investigadores demostraron que una versión de su sistema, que contenía dos grupos de átomos, podría utilizarse para medir gradientes de campo. Al colocar los dos conjuntos atómicos en diferentes ubicaciones, el estado cuántico resultante refleja la diferencia entre los campos magnéticos o gravitacionales locales, mientras que rechaza naturalmente el ruido de fondo que afecta a ambas ubicaciones de manera uniforme.

Además, el mismo sistema puede generar estados cuánticos inusuales que han atraído el interés de los físicos. Por ejemplo, el estado AKLT, un estado entrelazado de muchos cuerpos introducido en la década de 1980 para describir materiales magnéticos inusuales, puede estabilizarse con este método. Esto no solo ayuda a los científicos a estudiar sistemas magnéticos complejos, sino que también puede tener aplicaciones en la computación cuántica.

A pesar de que el trabajo sigue siendo teórico por el momento, los investigadores ya están discutiendo posibles pruebas experimentales con otros grupos y explorando formas más sofisticadas de organizar los átomos dentro del sistema. "El hecho de que ingredientes tan simples puedan generar estados cuánticos tan complejos y útiles nos da esperanza de que, incluso antes de alcanzar el sueño de una computadora cuántica general, ya podemos generar estados cuánticos que nos permitan hacer cosas que no podríamos hacer en un mundo puramente clásico", concluyó Clerk.

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