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| Imagen de la cámara de vacío de la mesa óptica en la que el equipo de investigación de Stanford utilizó luz y campos magnéticos suministrados con precisión para programar una línea recta de átomos en forma de árbol, un bucle retorcido llamado banda de Möbius y otros patrones. Crédito: Monika Schleier-Smithc |
En un nuevo estudio, investigadores de Stanford demuestran cómo manipular los átomos para que interactúen con un grado de control sin precedentes. Mediante el uso de luz y campos magnéticos, los investigadores programaron una línea recta de átomos en forma de árbol, un bucle retorcido llamado banda de Möbius y otros patrones.
Estas formas se produjeron no moviendo físicamente los átomos, sino controlando el modo en que los átomos intercambian partículas y se "sincronizan" para compartir ciertas propiedades. Al manipular cuidadosamente estas interacciones, los investigadores pueden generar una amplia gama de geometrías. Y lo que es más importante, descubrieron que los átomos situados en los extremos de la línea recta podían programarse para interactuar con la misma fuerza que los átomos situados justo al lado en el centro de la línea. Por lo que saben los investigadores, nunca antes se había demostrado la capacidad de programar interacciones no locales en este grado, independientemente de la ubicación espacial real de los átomos.
Los hallazgos podrían suponer un paso clave en el desarrollo de tecnologías avanzadas de computación y simulación basadas en las leyes de la mecánica cuántica, la descripción matemática de cómo se mueven e interactúan las partículas a escala atómica.
"En este trabajo hemos demostrado un nivel de control totalmente nuevo sobre la programabilidad de las interacciones en un sistema de mecánica cuántica", afirma la autora principal del estudio, Monika Schleier-Smith, becaria de la Facultad Nina C. Crocker y profesora asociada del Departamento de Física de la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford. "Es un hito importante por el que llevamos mucho tiempo trabajando, y al mismo tiempo es un punto de partida para nuevas oportunidades".
El estudio se publicó el 22 de diciembre en la revista Nature.
Dos estudiantes de posgrado, Avikar Periwal y Eric Cooper, así como un becario posdoctoral, Philipp Kunkel, son coautores del trabajo. Periwal, Cooper y Kunkel son investigadores del laboratorio de Schleier-Smith en Stanford.
"Avikar, Eric y Philipp trabajaron muy bien en equipo para realizar los experimentos, idear formas inteligentes de analizar y visualizar los datos y desarrollar los modelos teóricos", dijo Schleier-Smith. "Todos estamos muy entusiasmados con estos resultados".
"Elegimos algunas geometrías sencillas, como anillos y cadenas desconectadas, sólo como prueba de principio, pero también formamos geometrías más complejas, incluyendo estructuras en forma de escalera e interacciones en forma de árbol, que tienen aplicaciones a problemas abiertos en la física", dijeron Periwal, Cooper y Kunkel en una declaración del grupo.
Sincronización de átomos por encargo
Periwal, Cooper, Kunkel y sus colegas realizaron experimentos para el estudio en aparatos conocidos como mesas ópticas, un par de las cuales dominan el espacio del laboratorio de Schleier-Smith. Las mesas están provistas de intrincados conjuntos de componentes electrónicos unidos por cables multicolores. En el centro de una de las mesas ópticas hay una cámara de vacío, que consiste en un cilindro metálico con ventanas de ojo de buey. Una bomba expulsa todo el aire de esta cámara para que ningún otro átomo pueda perturbar los pequeños racimos de átomos de rubidio cuidadosamente colocados en su interior. Los investigadores de Stanford han introducido rayos láser en esta cámara sin aire para atrapar los átomos de rubidio, ralentizando el movimiento de los átomos y enfriándolos hasta un punto cercano al cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente posible en la que el movimiento de las partículas se detiene prácticamente. En el ámbito extremadamente frío, justo por encima del cero absoluto, es donde los efectos de la mecánica cuántica pueden dominar sobre los de la física clásica y, por tanto, donde los átomos pueden ser manipulados mecánicamente de forma cuántica.
Hacer brillar la luz a través de los racimos de átomos de esta manera también sirve para hacer que los átomos "hablen" entre sí. Cuando la luz incide en cada átomo, transmite información entre ellos, generando patrones llamados "correlaciones" en los que cada átomo comparte una determinada propiedad mecánica cuántica deseada. Un ejemplo de propiedad mecánica cuántica es el momento angular total, conocido como el espín de un átomo y que puede tener valores de, por ejemplo, +1, 0 o -1.
Los investigadores de Stanford y de otros lugares han correlacionado antes redes atómicas utilizando sistemas de átomos refrigerados por láser, pero, hasta hace poco, sólo se podían hacer dos tipos básicos de redes atómicas. En una de ellas, llamada red de todos a todos, cada átomo habla con todos los demás. El segundo tipo de red funciona según lo que se conoce como el principio del vecino más cercano, en el que los átomos suspendidos por láser interactúan con mayor intensidad con los átomos adyacentes.
En este nuevo estudio, los investigadores de Stanford estrenan un método mucho más dinámico que transmite información sobre distancias específicas entre grupos discretos de átomos. De este modo, la ubicación espacial no importa y se puede programar un conjunto de correlaciones mucho más rico.
"Con una red de todos a todos, es como si enviara un boletín mundial a todo el mundo, mientras que en una red de vecinos más cercanos, es como si sólo hablara con la persona que vive en la puerta de al lado", dijo Schleier-Smith. "Con la programabilidad que hemos demostrado ahora en nuestro laboratorio, es como si cogiera un teléfono y marcara a la persona exacta con la que quiero hablar situada en cualquier parte del mundo".
Los investigadores consiguieron crear estas interacciones y correlaciones no locales controlando las frecuencias de la luz que se proyectaba sobre los racimos de átomos de rubidio atrapados y variando la intensidad de un campo magnético aplicado en la mesa óptica. A medida que el campo magnético aumentaba su intensidad de un extremo a otro de la cámara de vacío, hacía que cada grupo de átomos a lo largo de la línea girara un poco más rápido que el grupo vecino anterior. Aunque cada grupo de átomos tenía una velocidad de rotación única, de vez en cuando algunos grupos llegaban periódicamente a la misma orientación, al igual que una fila de relojes con manecillas que giran progresivamente más rápido siguen leyendo momentáneamente las mismas horas. Los investigadores utilizaron la luz para activar y medir selectivamente las interacciones entre estas nubes atómicas momentáneamente sincronizadas. En general, utilizando una línea recta de 18 nubes de átomos, los investigadores pudieron generar interacciones entre las nubes a cualquier conjunto de distancias especificadas a lo largo de la línea.
"La capacidad de generar y controlar este tipo de interacciones no locales es poderosa", añadió Schleier-Smith. "Cambia fundamentalmente la forma en que puede viajar la información y los sistemas cuánticos que podemos diseñar".
Ventajas de un control versátil
Una de las muchas aplicaciones del trabajo del equipo de Stanford es la elaboración de algoritmos de optimización para ordenadores cuánticos, máquinas que se basan en las leyes de la mecánica cuántica para hacer números. La computación cuántica tiene aplicaciones en la inteligencia artificial, el aprendizaje automático, la ciberseguridad, la elaboración de modelos financieros, el desarrollo de fármacos, la previsión del cambio climático, la logística y la optimización de horarios. Por ejemplo, los algoritmos adaptados a los ordenadores cuánticos podrían resolver eficazmente los problemas de programación encontrando las rutas más cortas posibles para las entregas, o la programación óptima de las clases universitarias para que pueda asistir el mayor número de estudiantes.
Otra aplicación muy prometedora es la comprobación de las teorías de la gravedad cuántica. Las formas arborescentes de este estudio se diseñaron expresamente con este fin: sirven como modelos básicos del espacio-tiempo curvado por un hipotético nuevo concepto de gravedad basado en los principios de la mecánica cuántica que renovaría nuestra comprensión de la gravedad descrita en la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Un enfoque similar puede aplicarse también a la investigación de los objetos cósmicos ultradensos que atrapan la luz, llamados agujeros negros.
Schleier-Smith y sus colegas trabajan ahora para demostrar que sus experimentos pueden producir entrelazamiento cuántico, en el que los estados cuánticos entre los átomos se correlacionan de una manera que puede aprovecharse para aplicaciones que van desde los sensores ultraprecisos hasta la computación cuántica.
"Hemos avanzado mucho con este estudio y queremos seguir avanzando", dijo Schleier-Smith. "Nuestro trabajo demuestra un nuevo nivel de control que puede ayudar a salvar la distancia, en varias áreas de la física, entre las elegantes ideas teóricas y los experimentos reales".
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