Milioane de atomi implicați în teste cuantice record

Într-o performanță cuantică, două echipe de oameni de știință au susținut noi afirmații de a lega un număr imens de atomi la nivel cuantic.

Cercetătorii de la Geneva au demonstrat încrucișarea cuantică a 16 milioane de atomi, doborând recordul anterior de aproximativ 3.000 de atomi încurși (SN Online: 25.03.2015). Între timp, oamenii de știință din Canada și Statele Unite au folosit o tehnică similară pentru a încurca peste 200 de grupuri a câte un miliard de atomi fiecare. Echipele și-au publicat rezultatele online pe 14 martie într-o pereche de lucrări postate pe arXiv.org.

Prin intricarea cuantică, particulele aparent independente se împletesc. Atomii încâlciți nu mai pot fi considerați entități separate, ci au sens doar ca parte a unui întreg – chiar dacă atomii pot fi departe unul de celălalt. Procesul funcționează de obicei la scară mică, cuplând un număr mic de particule, dar cercetătorii au convins atomii să sfideze această tendință.

„Este un rezultat frumos”, spune fizicianul atomic Vladan Vuletić de la MIT, care a făcut parte din echipa care a demonstrat anterior încâlcirea a 3.000 de atomi. Efectele cuantice nu apar de obicei la scara mare cu care se confruntă oamenii în fiecare zi. În schimb, proprietățile cuantice delicate ale particulelor sunt mânjite prin interacțiuni cu lumea dezordonată. Dar, în condițiile potrivite, efectele cuantice precum încurcarea pot prolifera. „Ceea ce ne arată această lucrare este că există anumite tipuri de stări mecanice cuantice care sunt de fapt destul de robuste”, spune Vuletić.

Ambele echipe au demonstrat incurcarea folosind dispozitive cunoscute sub numele de „amintiri cuantice”. Constând dintr-un cristal presărați cu ioni de pământuri rare – elemente exotice precum neodimul și tuliul – amintirile cuantice ale cercetătorilor sunt concepute pentru a absorbi un singur foton și a-l reemite după o scurtă întârziere. Singurul foton este absorbit colectiv de mulți ioni de pământuri rare simultan, încurcându-i. După zeci de nanosecunde, memoria cuantică emite un ecou al fotonului original: un alt foton continuând în aceeași direcție cu fotonul care a intrat în cristal.

Studiind ecourile de la un singur fotoni, oamenii de știință au cuantificat cât de multă încurcătură a avut loc în cristale. Cu cât sincronizarea și direcția ecoului sunt mai fiabile, cu atât mai extinsă era încâlcirea. În timp ce echipa SUA-Canadian și-a bazat măsurarea pe sincronizarea fotonului emis, echipa elvețiană s-a concentrat pe direcția fotonului.

Amintirile cuantice folosite pentru a încurca atomii nu sunt tehnologii noi. „Experimentele nu sunt complicate”, spune fizicianul Erhan Saglamyurek de la Universitatea Alberta din Canada, care nu a fost implicat în cercetare. În schimb, progresul se află în principal în fizica teoretică pe care cercetătorii au stabilit-o pentru a cuantifica întricarea care era de așteptat să apară în interiorul unor astfel de amintiri cuantice. Acest lucru le-a permis să demonstreze de fapt că un număr atât de mare de particule au fost încurcate, spune Saglamyurek.

Oamenii de știință din cele două echipe de cercetare au refuzat să comenteze, deoarece lucrările care raportează lucrările sunt încă în curs de revizuire de către un jurnal.

Rezultatele nu au nicio utilizare practică evidentă. În schimb, munca se dezvoltă din tehnologia care este dezvoltată pentru aplicațiile sale potențiale: amintirile cuantice ar putea fi folosite în rețelele de comunicații cuantice pentru a permite stocarea informațiilor cuantice.

În cele din urmă, fizicienii speră să împingă efecte cuantice ciudate la o scară din ce în ce mai mare. Pentru intricarea cuantică, „ar fi un vis dacă ai putea face acest lucru vizibil cu ochiul liber”, spune fizicianul cuantic Jakob Reichel de la École Normale Supérieure din Paris. Ultimele rezultate nu merg atât de departe.

„Nu este o revoluție”, spune Reichel. Dar, „Cred că ne ajută [get] un sentiment mai bun pentru stările încurcate.”