Investigadores controlan el movimiento de átomos como si fueran «juguetes» y logran el hiperentrelazamiento cuántico

Es bien sabido que partículas como los átomos nunca están fijas en el espacio, sino siempre están en constante movimiento. Para los ingenieros de la computación cuántica, esta vibración térmica ha sido un constante dolor de cabeza, ya que, para reducir errores al mínimo, se necesita eliminar las fuentes de ruido.

Investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech) le dieron la vuelta a este problema. «Mostramos que el movimiento atómico, que normalmente se considera una fuente de ruido no deseado en los sistemas cuánticos, puede convertirse en una fortaleza», dijo Adam Shaw, coautor de un estudio cuyos resultados podrían conducir a innovaciones tecnológicas revolucionarias.

“Los estados de movimiento podrían convertirse en un recurso poderoso para la tecnología cuántica, desde la computación hasta la simulación y las mediciones de precisión”, indicó Manuel A. Endres. En el pasado, Endres, profesor de Física en Caltech, pudo estudiar las propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos con un mecanismo especial: unas pinzas hechas de luz láser con las que lograba la manipulación precisa de átomos individuales dentro de una red de átomos.

Para este nuevo experimento, cuyos resultados fueron publicados este mes en la revista Science, Endres recurrió a sus pinzas ópticas una vez más, ahora para enfriar un conjunto de átomos neutros alcalinotérreos mediante una nueva técnica. Esta consistió en la “detección y posterior corrección activa de las excitaciones del movimiento térmico”.

El profesor de Física se inspiró en el demonio de Maxwell, un experimento mental del siglo XIX propuesto por el científico británico James Clerk Maxwell, que nos dibuja a un ser imaginario clasificando moléculas rápidas y lentas dentro de una caja. «Básicamente, medimos el movimiento de cada átomo y aplicamos una operación en función del resultado, átomo por átomo, de forma similar al demonio de Maxwell».

Con este método, el equipo de Caltech superó las otras técnicas conocidas de enfriamiento por láser, y provocó que los átomos se detuvieran casi por completo. A partir de ahí, las partículas estuvieron a merced de los investigadores. Por ejemplo, hicieron que estas oscilaran como un péndulo, solo que con una amplitud de aproximadamente 100 nanómetros; luego, provocaron un movimiento de superposición al excitar los átomos en dos oscilaciones distintas.

Juguetes atómicos

«Básicamente, el objetivo era ampliar los límites de nuestro control sobre estos átomos«, indicó Endres. «En esencia, estamos construyendo una caja de herramientas: sabíamos cómo controlar los electrones dentro de un átomo y ahora aprendimos a controlar el movimiento externo del átomo en su conjunto. Es como un juguete atómico que dominas por completo«.

“Ampliar los límites” es una manera de describirlo, ya que no solo codificaron información cuántica en el movimiento de los átomos, también condujeron por primera vez a partículas masivas (como átomos neutrales o iones) a un estado conocido como hiperentrelazamiento.

Recordemos que el entrelazamiento en mecánica cuántica ocurre cuando dos partículas se conectan de tal manera que el estado de una afecta instantáneamente al estado de la otra, sin importar la distancia entre ellas. En hiperentrelazamiento, la correlación se da entre dos o más propiedades, lo que aumenta significativamente la capacidad de transmisión de información en los sistemas cuánticos. “Esto nos permite codificar más información cuántica por átomo”, dice Endres. “Se consigue mayor entrelazamiento con menos recursos”.

Este nuevo hito (hay al menos uno al mes en este emocionante campo de la tecnología cuántica) abre nuevas posibilidades para el desarrollo de tecnologías más robustas y escalables. Al controlar el movimiento cuántico y lograr el hiperentrelazamiento, es posible mejorar la precisión de los sensores cuánticos y optimizar la eficiencia de las computadoras cuánticas.