Premio Ciencias - Ciencias Exactas, Físicas y Naturales - 2022

The search for new Physics with Entanglement-Enhanced Optical Atomic Clocks. (Buscando nueva física con relojes atómicos ópticos mejorados por entrelazamiento cuántico)


Autor(a): Edwin Eduardo Pedrozo Peñafiel
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Reseña

"En el siglo pasado, nuestra comprensión de la naturaleza cambió radicalmente. Fue el surgimiento de la mecánica cuántica a principios del siglo XX el responsable de que eso sucediera. En esta teoría considerada ""extraña"" e intrigante, se desafió la intuición de los físicos. Incluso uno de los físicos más renombrados, Richard P. Feynman, 1964, mencionó la frase: ""Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica"". Varias décadas después, los físicos no solo obtuvieron una comprensión profunda de la mecánica cuántica, sino que también utilizaron sus características ""extrañas"" para construir dispositivos reales que nos permiten explorar fenómenos físicos como nunca antes.

La mecánica cuántica condujo al desarrollo del transistor, revolucionando la electrónica y volviéndose omnipresente en los dispositivos de la vida cotidiana, como computadoras, teléfonos, dispositivos médicos, industria de la comunicación, entre muchos otros. También condujo al desarrollo del láser, que tiene numerosas aplicaciones en muchas áreas. Estos son solo algunos ejemplos de aplicaciones prácticas de la mecánica cuántica.

En particular, sensores cuánticos son una clase de dispositivos que se han desarrollado en las últimas décadas para explorar fenómenos físicos que difícilmente pueden estudiarse con los sensores habituales. Ejemplos de estos sensores cuánticos son los interferómetros ópticos como LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), capaces de detectar señales muy débiles de ciertas ondas gravitacionales de baja frecuencia, lo que ha revolucionado la forma en que vemos el universo y ha permitido probar una vez más la teoría de la gravedad de Einstein.

Los relojes atómicos, dispositivos cuánticos especiales, también utilizan métodos interferométricos, pero aplicados a los átomos en lugar de a los fotones (las partículas fundamentales que componen la luz) para determinar la frecuencia de las oscilaciones de un átomo entre dos estados de energía. Este movimiento oscilatorio del átomo entre dos niveles de energía atómica puede considerarse como un péndulo clásico que se mueve hacia adelante y hacia atrás, y que se usa para determinar el tiempo y la frecuencia. Sin embargo, los átomos oscilan cientos de trillones de veces en un segundo entre los dos niveles de energía internos. Este gran número de oscilaciones permite realizar una mejor estadística y por lo tanto mejorar el conocimiento de la frecuencia que se está midiendo.

Actualmente, los mejores relojes atómicos ópticos utilizan átomos de estroncio o iterbio para medir la frecuencia de la llamada transición del reloj óptico. Estos dispositivos pueden medir la frecuencia con una precisión de una parte en 10-19. Este asombroso nivel de precisión significa que si hipotéticamente, estuviéramos ejecutando un reloj desde el comienzo del universo, hoy el error sería de solo una fracción de segundo. Sin embargo, estos relojes utilizan átomos que son independientes, lo que significa que cada átomo no conoce el estado del resto de los átomos, y debido a que los átomos son regidos por las leyes de la física cuántica, están limitado por un efecto conocido como ruido de proyección cuántica. Este ruido de proyección cuántica surge de la naturaleza probabilística del proceso de medición en la mecánica cuántica que reduce la capacidad de conocer el estado cuántico de los átomos. Esto impone un límite en la precisión que podemos obtener al medir un estado cuántico, el cual es conocido como Límite Cuántico Estándar (SQL por sus siglas en Ingles: Standard Quantum Limit). Superar el SQL para metrología cuántica ha sido un desafío en las últimas décadas, siendo extremadamente difícil debido a la naturaleza rápida de las oscilaciones atómicas y la fragilidad del entrelazamiento cuántico en una transición óptica. Sin embargo, se sabe teóricamente que este límite (SQL) se puede superar mediante el entrelazamiento cuántico.

En nuestro laboratorio hemos generado entrelazamiento entre cientos de átomos usando luz dentro de un resonador óptico. Cuando los átomos se entrelazan es como si cada átomo conociera el estado de todos los demás, y esta información o comunicación entre ellos se lleva a cabo a través de los fotones (partículas de luz). En otras palabras, los fotones son los encargados de transmitir esta información, dejando a los átomos en un estado entrelazado.

Así, cuando los átomos están en un estado entrelazado, conocer el estado de un átomo permite tener conocimiento del estado del resto, lo que mejora la información sobre todo el conjunto y por lo tanto mejorando la precisión en el proceso de medición. De esta manera, podemos superar el Límite Cuántico Estándar.

En nuestro sistema experimental, atrapamos cientos de átomos utilizando un potencial de captura creado por la luz laser, llamado red óptica. Estos átomos se colocan dentro de un resonador óptico de alta calidad, un dispositivo compuesto por dos espejos. A diferencia de los fotones que no podemos controlar en el espacio, en el resonador óptico, los fotones pueden quedar "atrapados" y pueden rebotar entre los dos espejos millones de veces antes de escapar del resonador. Esto aumenta la interacción entre los átomos y los fotones, lo que facilita la creación del entrelazamiento cuántico entre los átomos.

Con los átomos entrelazados pudimos medir la frecuencia con una precisión que va más allá del Límite Cuántico Estándar, superando esta limitación por primera vez en un reloj atómico óptico. Este avance aumenta la precisión de los relojes ópticos y el ancho de banda, que es la capacidad de medir perturbaciones que presentan una frecuencia de oscilación más alta que los relojes atómicos actuales.

La implementación de nuestro nuevo protocolo cuántico en relojes atómicos de última generación usando átomos entrelazados cuánticamente tendrá un impacto en la medición del tiempo, ayudará a descifrar señales débiles en el universo, como la materia oscura y las ondas gravitacionales. Con relojes atómicos ópticos mejorados por entrelazamiento cuántico, estaremos equipados para explorar cuestiones científicas importantes: ¿las constantes fundamentales, como la carga eléctrica y la estructura hiperfina, entre otras, realmente constantes? ¿Cuáles son los efectos de la gravedad en el paso del tiempo? ¿El tiempo cambia en si mismo a medida que el universo envejece o evoluciona? El viaje maravilloso de la Física para responder a estas preguntas continúa…"


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