Apresentando controle preciso no nível quântico, físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um método para fazer um íon (átomo eletricamente carregado) exibir quantidades exatas de movimento em nível quântico - qualquer quantidade específica de até 100 pacotes de energia ou "quanta, "mais de cinco vezes o recorde anterior de 17.

Mecânica quântica, a teoria fundamental do mundo atômico, afirma que a energia é liberada ou absorvida em pequenas parcelas, ou pacotes, chamados quanta. Os átomos liberam energia luminosa irradiando fótons, ou quanta de luz. Quando pego em uma armadilha pelos pesquisadores, a energia motora dos átomos é transportada por fônons, ou quanta de movimento.

Além de criar um único número de quanta, a equipe do NIST controlou o movimento do pêndulo de seu íon para exibir simultaneamente duas quantidades diferentes de quanta de movimento:zero (movimento mínimo) mais qualquer número até 18. Tal "superposição" de dois estados é uma marca registrada do curioso mundo quântico.

Publicado online por Natureza em 22 de julho, os novos métodos podem ser usados ​​com qualquer oscilador mecânico quântico, incluindo sistemas que oscilam como um pêndulo simples ou vibram como uma mola. As técnicas podem levar a novos tipos de simuladores e sensores quânticos usando fônons como portadores de informação. Além disso, a capacidade de ajustar estados de superposição pode melhorar as medições quânticas e o processamento de informações quânticas. Usar o íon em uma superposição como um instrumento de medição de freqüência mais do que dobrou a precisão em comparação com as medições convencionais da freqüência de vibração do íon.

"Se tivermos controle quântico de um objeto, podemos 'dobrar' as regras clássicas para ter incertezas menores em certas direções desejadas às custas de incertezas maiores em outras direções, "disse a primeira autora Katie McCormick." Podemos então usar o estado quântico como uma régua para medir as propriedades de um sistema. Quanto mais controle quântico tivermos, quanto mais espaçadas as linhas da régua estiverem, permitindo-nos medir as quantidades com mais e mais precisão. "

Os experimentos foram realizados com um único íon berílio mantido 40 micrômetros acima dos eletrodos de ouro de uma armadilha eletromagnética resfriada. Os novos resultados foram possíveis porque os pesquisadores do NIST foram capazes de minimizar fatores indesejados, como campos elétricos perdidos que trocam energia com e interrompem o íon, Disse McCormick.

Para adicionar fônons ao íon, Os pesquisadores do NIST alternaram pulsos de laser ultravioleta logo acima e abaixo da diferença de frequência entre dois dos estados de "spin" dos íons, ou configurações de energia internas. Cada pulso mudou o íon de "spin up" para "spin down" ou vice-versa, com cada flip adicionando um quantum de movimento de balanço de íons. Para criar superposições, os pesquisadores aplicaram esses pulsos de laser a apenas metade da função de onda do íon (o padrão ondulatório da probabilidade da localização da partícula e do estado de rotação). A outra metade da função de onda estava em um terceiro estado de rotação que não foi afetado pelos pulsos de laser e permaneceu imóvel.

As superposições do estado imóvel (ou fundamental) do íon e um número de fônon mais alto deram aos pesquisadores do NIST uma sensibilidade de medição "aprimorada quântica", ou precisão. Eles usaram o íon como um interferômetro, um instrumento que divide e mescla duas ondas parciais para criar um padrão de interferência que pode ser analisado para caracterizar a frequência. Os pesquisadores do NIST usaram o interferômetro para medir a frequência de oscilação do íon com uma incerteza menor do que normalmente é possível.

Especificamente, a precisão da medição aumentou linearmente com o número de quanta de movimento, até o melhor desempenho no estado de superposição 0 e 12, que ofereceu mais do que o dobro da sensibilidade de um estado quântico de comportamento clássico (tecnicamente composto de um conjunto de estados de número). Esse estado de superposição de 0 e 12 também foi mais de sete vezes mais preciso do que a superposição de interferômetro mais simples de 0 e 1.

Para entender por que os estados de superposição ajudam a medir a frequência de oscilação do íon com mais precisão, McCormick sugere imaginar uma roda com raios.

"Em um certo espaço abstrato que descreve a posição e o momento do íon, a oscilação é representada por uma rotação, "Disse McCormick." Queremos ser capazes de medir essa rotação com muita precisão. As superposições do estado fundamental de movimento do íon e os estados de números mais elevados são uma grande régua para esta medição porque, nesta representação abstrata, eles podem ser visualizados como uma roda com raios. Esses raios podem ser usados ​​para determinar a quantidade de rotação do estado. E quanto maior o estado numérico, quanto mais raios houver e mais precisamente poderemos medir essa rotação. "

A sensibilidade de medição oferecida pelos estados de superposição deve ajudar a caracterizar e reduzir o ruído no movimento, uma importante fonte de erro que os pesquisadores desejam minimizar no processamento de informações quânticas com íons aprisionados.