Usando um condensado de Bose-Einstein composto por milhões de átomos de sódio, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia observaram uma acentuada transição de fase quântica induzida magneticamente, onde esperam encontrar pares atômicos emaranhados. O trabalho move os cientistas para mais perto de um estado emaranhado indescritível que teria aplicações de detecção e computação potenciais além de seus interesses científicos básicos.

O uso de átomos emaranhados de um condensado pode melhorar a sensibilidade e reduzir o ruído na detecção de mudanças muito pequenas nas propriedades físicas, como campos magnéticos ou rotação. E também pode fornecer uma base para computadores quânticos capazes de realizar certos cálculos muito mais rápido do que os computadores digitais convencionais.

Patrocinado pela National Science Foundation, a pesquisa foi relatada em 23 de janeiro como uma comunicação rápida no jornal Revisão Física A .

"Definimos uma janela onde esperamos ser capazes de observar o emaranhamento, "disse Chandra Raman, professor associado da Georgia Tech School of Physics. "Agora sabemos onde procurar, e sabemos como procurá-lo. "

Raman e o ex-aluno de graduação Anshuman Vinit têm estudado condensados ​​de Bose-Einstein (BECs) como uma fonte de emaranhamento, buscando tirar proveito da pureza quântica do sistema para criar condições onde a correlação entre os átomos possa ocorrer. BECs normalmente não contêm átomos emaranhados.

"Encontramos maneiras de projetar o sistema para criar emaranhamento, "Raman explicou." Observamos o comportamento do sistema conforme sintonizamos o campo magnético muito perto do limite da fase e mostramos que o limite tinha um ponto definido de forma muito precisa. Conseguimos resolver esse limite com um nível de incerteza que achávamos que não poderíamos alcançar até fazer o experimento. "

As previsões teóricas sugeriram que, na fronteira entre as diferentes fases magnéticas de um condensado de Bose-Einstein espinor, os cientistas descobririam um estado quântico emaranhado de todos os átomos. Em condensados ​​de Bose-Einstein spinor, os momentos magnéticos individuais não precisam ter uma orientação bem definida no espaço, mas sim, pode existir em uma superposição de orientações diferentes.

Em seu experimento, os pesquisadores identificaram duas fases:antiferromagnética e polar. Na fase polar, todos os átomos alinham seus momentos verticalmente, enquanto na fase antiferromagnética, eles estão alinhados horizontalmente. Em um BEC exatamente no limite entre essas fases, os teóricos previram a existência de uma superposição mecânica quântica de todos os alinhamentos possíveis, um estado emaranhado.

Os pesquisadores ainda não observaram esse estado emaranhado, mas seu trabalho até agora definiu uma janela experimental dentro da qual procurar novos efeitos físicos governando diferentes fases magnéticas, ou para gerar estados emaranhados que são relevantes para sistemas baseados em quantum.

Uma pesquisa anterior no laboratório de Raman havia produzido as duas fases, mas a fronteira entre eles foi "borrada" pela falta de homogeneidade do campo magnético. Ao suavizar o campo magnético para que fosse mais uniforme, os pesquisadores conseguiram eliminar as variações para produzir uma fronteira nítida entre as fases.

Na área de transição estritamente definida identificada na pesquisa, átomos são divididos entre as duas fases, fazendo com que pares emaranhados se formem, Raman disse. O estado pode ser estável o suficiente para encontrar aplicações práticas, embora os cientistas não saibam com certeza até que possam realmente observar e medir as propriedades.

Os pesquisadores mediram a fronteira em seu sistema "saltando" o campo magnético de uma parte do BEC para outra. O movimento criou uma instabilidade dinâmica no sistema atômico; quanto maior a instabilidade, menos tempo o sistema precisa para retornar ao equilíbrio, conforme previsto pela teoria quântica.

Os pesquisadores agora acreditam que prepararam o terreno para observar o emaranhamento em grupos menores de átomos, talvez não mais do que mil.

"Em nossa sensibilidade atual, achamos que poderíamos observar esses estados correlacionados ao spin com um número razoável de partículas, "Raman disse." Achamos que é experimentalmente viável, e uma vez que podemos medir o limite com precisão, podemos começar a testar as teorias que governam o comportamento neste regime. "

Depois que isso for mostrado, o grande conjunto de átomos pode ser dividido em muitos grupos menores operando de forma independente, cada um com limites de fase contendo átomos emaranhados.

Embora Raman considere a ciência básica e a computação quântica interessantes, ele está igualmente entusiasmado com as aplicações de detecção em potencial.

"Se você pudesse reduzir o nível de ruído por meio do uso inteligente de superposições da mecânica quântica, você pode perceber sensores que são mais precisos e podem detectar efeitos menores, "disse ele." No sensoriamento quântico, você poderia usar o emaranhamento para aumentar a precisão das medições a níveis que, em sistemas de sensores clássicos, teria um nível de ruído mais alto. "

Em sistemas oscilantes clássicos, como cara ou coroa, cada flip é um sistema independente e tem um certo nível de ruído. Mas por causa da correlação, os pares atômicos não seriam mais sistemas independentes.

"Em um sistema clássico comum, há uma certa quantidade de ruído que tem a ver com o fato de você estar fazendo medições em sistemas independentes, "disse ele." Em sistemas quânticos, é possível suprimir esse ruído se os átomos estiverem correlacionados. É como se as moedas estivessem conversando entre si. "

Os sensores quânticos podem, portanto, ser capazes de detectar mudanças na rotação ou variação magnética que são muito pequenas para os sensores atuais. Outras aplicações podem ser encontradas na medição espectroscópica, Raman disse.