Reseña

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

Ganador Ciencias Exactas, Físicas y Naturales - 2022

Video sobre el trabajo ganador

The search for new Physics with Entanglement-Enhanced Optical Atomic Clocks. AUTOR: Edwin Eduardo Pedrozo Peñafiel, Investigador científico en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y en el Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard.

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 continua…

 

The Search for New Physics with Entanglement-Enhanced Optical Atomic Clocks

In the last century, our understanding of nature changed radically. It was the rise of quantum mechanics at the beginning of the 20th century in charge of that happening. In this considered "weird" and intriguing theory, physicists' intuition was challenged. Even the most notable physicists, like Richard P. Feynman, 1964, stated the phrase: "I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics." Many decades later, physicists have not only gained a deep understanding of quantum mechanics but also used its "strange" features to build real devices that allow us to explore physical phenomena as never before.

Quantum mechanics led to the development of the transistor, revolutionizing electronics and becoming ubiquitous in everyday life devices, like computers, phones, medical devices, communication industry, among many others. It also led to the development of the laser, which has numerous applications in many areas. These are only a few examples of practical applications of quantum mechanics.

In particular, a quantum sensor is a class of devices that have developed in the last decades to explore physical phenomena that can hardly be studied with usual sensors. Examples of these quantum sensors are optical interferometers like LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), capable of detecting certain gravitational waves of low frequency, which has revolutionized the way we see the universe and allowed to prove Einstein's theory of gravity one more time.

Atomic clocks, special quantum devices, also use interferometric methods but are applied to atoms instead of photons (the particles that compose light) to determine the frequency of the oscillations of an atom between two energy states. This oscillatory motion of the atom between two atomic energy levels can be considered like a classical pendulum that moves back and forth, oscillates, and is used to determine time and frequency. The oscillation period of a pendulum can be translated into time. However, atoms oscillate hundreds of trillions of times (hundreds of Terahertz frequencies) between two atomic energy levels in an optical transition. This large number of oscillations allows a better average or statistics and then improves the knowledge of the frequency being measured.

Currently, the best optical atomic clocks use strontium or ytterbium atoms to measure the frequency of the so-called optical clock transition. They can measure frequency with a precision of one part in 10-19. This amazing level of precision means that if hypothetically, we were running a clock since the beginning of the universe, it would be off by only a fraction of a second. However, these clocks use atoms that are independent, meaning that each atom does not know about the state of the rest of the atoms and then is limited by an effect known as the quantum projection noise since the atoms are subject to the laws of quantum physics. This quantum projection noise arises from the probabilistic nature of the measurement process in quantum mechanics that blurs the knowledge about the quantum state of the atoms. This imposes a limit on the precision that we can achieve in measuring a quantum state called Standard Quantum Limit (SQL). Overcoming the SQL for quantum metrology has been a challenge in the last decades, being extremely difficult because of the fast nature of the atomic oscillations and the fragility of quantum entanglement in an optical transition. However, it has been theoretically known that this limit (SQL) can be overcome using quantum entanglement.

This is what we have done here, generate entanglement among hundreds of atoms using light inside an optical resonator. When the atoms are entangled is as if each atom knows the state of all the other atoms, and this information or communication among them is carried out but the photons (particles of light). In other words, the photons are in charge of transmitting this information, leaving the atoms in an entangled state.

Thus, when the atoms are in an entangled state, knowing the state of one atom allows one to have knowledge of the state of the rest, which gives more information about the whole ensemble and thus improves the precision in the measurement process. In this way, we can surpass the Standard Quantum Limit imposed by the measurement.

In our system, we trap hundreds of atoms using a trapping potential created by light, called optical lattice. These atoms are placed inside a high-quality optical resonator, a device composed of two mirrors. Unlike free space photons that just fly away, in the optical resonator, the photons can be "trapped," and they can bounce back and forth millions of times before escaping from the resonator. This gives increases the interaction between the atoms and the photons, which enhances the interaction and facilitates the creation of the entanglement among the atoms.

With the entangled atoms, we could measure frequency with a precision that goes beyond the Standard Quantum Limit, overcoming this limitation for the first time in an optical atomic clock. This breakthrough increases the precision of the optical clocks and the bandwidth, which is the capacity to measure perturbations of higher frequency than current atomic clocks. This opens the door to using atomic clocks for gravitational-wave detection, which has revolutionized the understanding of our universe.

Implementing our quantum protocol to state-of-the-art atomic clocks to measure quantumly entangled atoms will impact the measurement of time, help to decode weak signals in the universe such as dark matter and gravitational waves, and help to answer some age-old questions. With entangled-enhanced optical atomic clocks, we will be equipped to wonder about important scientific questions: are the fundamental constants, like electric charged and hyperfine structure constant, among others, really constant? What are the effects of gravity on the passage of time, and does the time itself change as the universe ages? The amazing journey of Physics to answer these questions continues…