La interferencia de muchos átomos y un nuevo enfoque para el muestreo de bosones

En la vida diaria, cuando dos objetos son “indistinguibles”, se debe a un estado imperfecto de conocimiento. Como un mago callejero revuelve los vasos y las bolas, en principio podrías realizar un seguimiento de cuál bola es cuál a medida que pasan entre los vasos. Sin embargo, en las escalas más pequeñas de la naturaleza, ni siquiera el mago puede distinguir una bola de otra.

La verdadera indistinguibilidad de este tipo puede alterar fundamentalmente el comportamiento de las bolas. Por ejemplo, en un experimento clásico de Hong, Ou y Mandel, dos fotones (bolas) idénticos que golpean lados opuestos de un espejo semirreflectante siempre salen del mismo lado del espejo (en la misma copa). Esto se debe a un tipo especial de interferencia, no a ninguna interacción entre los fotones. Con más fotones y más espejos, esta interferencia se vuelve enormemente complicada.

Medir el patrón de fotones que emerge de un laberinto de espejos determinado se conoce como “muestreo de bosones”. Se cree que el muestreo de bosones no es factible de simular en una computadora clásica para más de unas pocas decenas de fotones. Como resultado, se ha realizado un esfuerzo significativo para realizar tales experimentos con fotones reales y demostrar que un dispositivo cuántico está realizando una tarea computacional específica que no se puede realizar de manera clásica. Este esfuerzo ha culminado en recientes afirmaciones de ventajas cuánticas utilizando fotones.

Ahora, en un artículo publicado recientemente en NaturalezaAdam Kaufman, miembro de JILA y físico del NIST y profesor de física de Boulder de la Universidad de Colorado, Adam Kaufman y su equipo, junto con colaboradores del NIST (el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología), han demostrado un método novedoso de muestreo de bosones utilizando átomos ultrafríos (específicamente, átomos bosónicos). ) en una red óptica bidimensional de rayos láser que se cruzan.

Utilizando herramientas como pinzas ópticas, se pueden preparar patrones específicos de átomos idénticos. Los átomos pueden propagarse a través de la red con una pérdida mínima y sus posiciones pueden detectarse con una precisión casi perfecta después de su viaje. El resultado es una implementación del muestreo de bosones que representa un salto significativo más allá de lo que se había logrado antes, ya sea en simulaciones por computadora o con fotones.

“Las pinzas ópticas han permitido experimentos innovadores en la física de muchos cuerpos, a menudo para estudios de muchos átomos que interactúan, donde los átomos están inmovilizados en el espacio e interactúan a largas distancias”, dice Kaufman. “Sin embargo, una gran clase de problemas fundamentales de muchos cuerpos, los llamados sistemas ‘Hubbard’, surgen cuando las partículas pueden interactuar y formar túneles, extendiéndose mecánicamente en el espacio. Al principio de la construcción de este experimento, teníamos el objetivo de aplicar este paradigma de pinzas a los sistemas Hubbard a gran escala: esta publicación marca la primera realización de esa visión”.

Técnicas para un mejor control

Para lograr estos resultados, los investigadores utilizaron varias técnicas de vanguardia, incluidas pinzas ópticas (láseres altamente enfocados que pueden mover átomos individuales con una precisión exquisita) y métodos de enfriamiento avanzados que llevan los átomos a una temperatura cercana al cero absoluto, minimizando su movimiento y permitiendo mediciones precisas. control y medición.

De manera similar a cómo una lupa crea un pinchazo de luz cuando se enfoca, las pinzas ópticas pueden sujetar átomos individuales en potentes haces de luz, lo que les permite moverse con extrema precisión. Usando estas pinzas, los investigadores prepararon patrones específicos de hasta 180 átomos de estroncio en una red de 1.000 sitios, formada por rayos láser que se cruzan y crean un patrón en forma de rejilla de pozos de energía potencial para atrapar los átomos. Los investigadores también utilizaron sofisticadas técnicas de enfriamiento por láser para preparar los átomos, asegurando que permanecieran en su estado de energía más bajo, reduciendo así el ruido y la decoherencia, desafíos comunes en los experimentos cuánticos.

El físico del NIST, Shawn Geller, explicó que el enfriamiento y la preparación aseguraron que los átomos fueran lo más idénticos posible, eliminando cualquier etiqueta, como estados internos individualizados o estados de movimiento, que pudieran hacer que un átomo determinado fuera diferente de los demás.

“Agregar una etiqueta significa que el universo puede decir qué átomo es cuál, incluso si no puedes ver la etiqueta como experimentador”, dice el primer autor y ex estudiante graduado de JILA, Aaron Young. “La presencia de tal etiqueta cambiaría esto de un problema de muestreo absurdamente difícil a uno completamente trivial”.

Una cuestión de escala

Por la misma razón que el muestreo de bosones es difícil de simular, verificar directamente que se haya realizado la tarea de muestreo correcta no es factible para los experimentos con 180 átomos. Para superar este problema, los investigadores tomaron muestras de sus átomos a varias escalas.

Según Young, “hacemos pruebas con dos átomos, donde entendemos muy bien lo que está sucediendo. Luego, en una escala intermedia donde aún podemos simular cosas, podemos comparar nuestras mediciones con simulaciones que involucran modelos de error razonables para nuestro experimento. escala, podemos variar continuamente la dificultad de la tarea de muestreo controlando qué tan distinguibles son los átomos y confirmar que nada dramático está saliendo mal”.

Geller añade: “Lo que hicimos fue desarrollar pruebas que utilizan la física que conocemos para explicar lo que creemos que está sucediendo”.

A través de este proceso, los investigadores pudieron confirmar la alta fidelidad de la preparación del átomo y la posterior evolución de los estados cuánticos de los átomos en comparación con demostraciones anteriores de muestreo de bosones. En particular, la muy baja pérdida de átomos en comparación con los fotones durante la evolución de los átomos impide las técnicas computacionales modernas que desafían las demostraciones anteriores de ventajas cuánticas.

La preparación, evolución y detección de átomos en una red programable y de alta calidad demostrada en este trabajo se puede aplicar en situaciones en las que los átomos interactúan. Esto abre nuevos enfoques para simular y estudiar el comportamiento de materiales cuánticos reales, y por lo demás poco comprendidos.

“El uso de partículas que no interactúan nos permitió llevar este problema específico del muestreo de bosones a un nuevo régimen”, dice Kaufman. “Sin embargo, muchos de los problemas más interesantes físicamente y desafiantes desde el punto de vista computacional surgen con sistemas de muchas partículas que interactúan. De cara al futuro, esperamos que la aplicación de estas nuevas herramientas a tales sistemas abra la puerta a muchos experimentos interesantes”.