Descubrimiento “superradiante” abre nuevas posibilidades para la computación cuántica
Trampa de átomos utilizada para observa la física que describe en este artículo. (Crédito: Washington State University)
Investigadores de la Universidad de Washington utilizaron una nube de átomos super-fríos que se comporta como un sólo átomo, abriendo así una nueva ruta experimental para el desarrollo de la computación cuántica.
El físico Peter Engels y sus colegas enfriaron un millón de átomos de rubidio hasta la 100 mil millonésima de un grado arriba del cero absoluto.
No había en ese momento un lugar más frío en todo el universo, dijo Engels, a menos que otros estuvieran haciendo un experimento similar en la Tierra o cualquier otro planeta.
Al enfriarse, el grupo de átomos formó un condensado Bose-Einstein –un raro estado físico predicho por Albert Einstein y el teórico indio Satyendra Nath Bose— después de pasar una fase de cambio (similar a un gas que se vuelve líquido o un líquido que se hace sólido).
Una vez los átomos actuaron al unísono, pudo inducirse en ellos un comportamiento coherente “superradiante”, predicho por el físico Robert Dicke en 1954, de la Universidad de Princenton, que describe las interacciones entre un conjunto de átomos y un campo óptico.
Engels explica el significado de este descubrimiento aún más en un correo electrónico al ser entrevistado por KurzweilAI:
Fase de transición en física de materia condensada (T, temperatura, P, fase, QCP, punto cuántico crítico. Crédito: Wikimedia Commons)
Nuestra investigación proporciona un nuevo manejo del modelo de Dicke, un famoso problema mecánico cuántico que fue planteado por vez primera hace 60 años. Se refiere a la interacción de un conjunto de átomos con la luz.
Robert Dicke se dio cuenta que cuando el acoplamiento entre la luz y el estado interno de los átomos es suficientemente fuerte, el sistema puede tener una fase de transición hacia un estado “superradiante”. En la práctica, este estado de transición resultó ser muy difícil de observar ya que las fuerzas de acoplamiento requeridas no son fácilmente alcanzables en experimentos (ver, por ejemplo, Nature 464, 1301–1306 (2010) de un primer éxito alcanzado al colocar un condensado Bosé-Einstein dentro de una cavidad muy fina).
En nuestro experimento, fuimos capaces de llevar a la práctica esta idea y medir las predicciones del modelo Dicke, incluyendo la transición hacia un estado superradiante. Iniciamos con una nube de átomos dentro de una cámara al vacío. Por medio del uso de un láser, se enfrío la nube a temperaturas cercanas al cero absoluto, en la cual la nube entró en una fase de transición y formó el condensado Bose-Einstein, una onda de materia macroscópica en donde todos los átomos se comportan conjuntamente al unísono.
Seguidamente, los átomos fueron colocados en un campo láser convenientemente adaptado para facilitar el acoplamiento entre el estado interno de los átomos y su movimiento. Al cambiar los parámetros del láser, se observó la transición hacia un estado superradiante. Es de esta manera que ahora tenemos un sistema disponible para implementar y medir el modelo Dicke.
Esto proporciona una nueva ruta para el estudio de los fenómenos relacionados con el modelo Dicke, incluyendo el entrelazamiento cuántico y estados cuánticos exprimidos, con posibles aplicaciones para una nueva generación de dispositivos atomtronic, almacenamiento y transmisión de información cuántica, cálculo cuántico y mediciones precisas cuánticas.
Nuestro colega Chuanwei Zhang descubrió que si reemplazas la luz con un movimiento en las partículas, se alcanza exactamente la misma física. Incluso, es más fácil de observar. Mientras que la nube de átomos mide menos de la mitad de un milímetro de ancho, con el movimiento en las partículas es lo suficientemente grande como para ser medido y fotografiado. Esto da a los científicos una herramienta clave para poner a prueba sus suposiciones y cambios en el reino atómico de la física cuántica.
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