En ciencia, no se puede lograr ni comprender nada sin la medición. Hoy, gracias a los avances en la detección cuántica, los científicos pueden medir cosas que antes eran imposibles de imaginar: vibraciones de átomos, propiedades de fotones individuales, fluctuaciones asociadas con ondas gravitacionales.
Se reconoce ampliamente que un truco de mecánica cuántica llamado «compresión de espín» es prometedor para potenciar al máximo las capacidades de los sensores cuánticos más precisos del mundo, pero ha sido notoriamente difícil de lograr. En una nueva investigación, los físicos de Harvard describen cómo han logrado poner la compresión de espín al alcance de la mano.
La compresión de espín, un tipo de entrelazamiento cuántico, restringe la forma en que un conjunto de partículas puede fluctuar. Esto permite realizar mediciones más precisas de ciertas señales observables, a expensas de medir otras señales complementarias con la misma precisión (pensemos en cómo al apretar un globo se obtiene más altura a expensas de la anchura).
«La mecánica cuántica puede mejorar nuestra capacidad de medir señales muy pequeñas», dijo Norman Yao, profesor de física y autor del nuevo artículo sobre compresión de espín en Física de la naturaleza. «Hemos demostrado que es posible conseguir dicha metrología mejorada cuánticamente en una clase de sistemas mucho más amplia de lo que se creía anteriormente».
En la metáfora del globo, un círculo representa la incertidumbre intrínseca a cualquier medición cuántica, explicó Maxwell Block, coautor del artículo y exalumno de la Escuela de Artes y Ciencias de Griffin. «Al reducir esta incertidumbre, haciendo que el globo se parezca más a una elipse, se puede modificar la sensibilidad de las mediciones», dijo Block. «Esto significa que ciertas mediciones pueden ser más precisas que cualquier cosa que se pudiera hacer sin la mecánica cuántica».
Un análogo de la compresión de espín se utilizó, por ejemplo, para aumentar la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales ganadores del Nobel en el experimento LIGO.
El trabajo del equipo de Harvard se basó en un artículo de referencia de 1993 que describió por primera vez la posibilidad de un estado entrelazado y de espín comprimido provocado por interacciones de «todos con todos» entre átomos. Tales interacciones son similares a una gran reunión de Zoom, en la que cada participante interactúa con todos los demás participantes a la vez. Entre átomos, este tipo de conectividad permite fácilmente la creación de las correlaciones mecánicas cuánticas necesarias para inducir un estado de espín comprimido. Sin embargo, en la naturaleza, los átomos suelen interactuar de una manera que se parece más a un juego de teléfono, hablando solo con unos pocos vecinos a la vez.
«Durante años se ha creído que sólo se puede conseguir una compresión de espín verdaderamente mejorada cuánticamente mediante interacciones de todos con todos», dijo Bingtian Ye, coautor principal del artículo y también exalumno de la Escuela de Artes y Ciencias de Griffin. «Pero lo que hemos demostrado es que en realidad es mucho más fácil».
En su artículo, los investigadores describen una nueva estrategia para generar entrelazamiento con compresión de espín. Intuyeron, y junto con colaboradores en Francia confirmaron rápidamente mediante un experimento, que los ingredientes para la compresión de espín están presentes en un tipo ubicuo de magnetismo que se encuentra a menudo en la naturaleza: el ferromagnetismo, que es también la fuerza que hace que los imanes de refrigerador se adhieran. Postulan que las interacciones de todos con todos no son necesarias para lograr la compresión de espín, sino que, siempre que los espines estén conectados lo suficientemente bien como para sincronizarse en un estado magnético, también deberían ser capaces de generar dinámicamente la compresión de espín.
Los investigadores son optimistas de que al reducir así la barrera a la compresión del espín, su trabajo inspirará nuevas formas para que los científicos e ingenieros cuánticos creen sensores más portátiles, útiles en imágenes biomédicas, relojes atómicos y más.
Con ese espíritu, Yao ahora está liderando experimentos para generar compresión de espín en sensores cuánticos hechos de centros de vacancia de nitrógeno, que son un tipo de defecto en la estructura cristalina del diamante que desde hace mucho tiempo han sido reconocidos como sensores cuánticos ideales.
La investigación recibió apoyo federal de: la Oficina de Investigación del Ejército, la Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Energía, el Departamento de Defensa y la Fundación Nacional de Ciencias.
