O emaranhamento quântico é um processo pelo qual objetos microscópicos, como elétrons ou átomos, perdem sua individualidade para se tornarem mais bem coordenados uns com os outros. O entrelaçamento está no cerne das tecnologias quânticas que prometem grandes avanços na computação, comunicações e detecção, por exemplo, detecção de ondas gravitacionais.

Estados emaranhados são notoriamente frágeis:na maioria dos casos, mesmo uma pequena perturbação desfará o emaranhamento. Por esta razão, as tecnologias quânticas atuais se esforçam para isolar os sistemas microscópicos com os quais trabalham, e normalmente operam em temperaturas próximas do zero absoluto. A equipe ICFO, em contraste, aqueceu uma coleção de átomos a 450 Kelvin em um experimento recente, milhões de vezes mais quente do que a maioria dos átomos usados ​​para a tecnologia quântica. Além disso, os átomos individuais eram tudo menos isolados; eles colidiram uns com os outros a cada poucos microssegundos, e cada colisão fazia seus elétrons girarem em direções aleatórias.

Os pesquisadores usaram um laser para monitorar a magnetização deste calor, gás caótico. A magnetização é causada pelos elétrons girando nos átomos, e fornece uma maneira de estudar o efeito das colisões e detectar o emaranhamento. O que os pesquisadores observaram foi um enorme número de átomos emaranhados - cerca de 100 vezes mais do que antes. Eles também viram que o emaranhamento não é local - envolve átomos que não estão próximos uns dos outros. Entre quaisquer dois átomos emaranhados, existem milhares de outros átomos, muitos dos quais estão emaranhados com outros átomos ainda, em um gigante, estado quente e confuso emaranhado.

O que eles também viram, como Jia Kong, primeiro autor do estudo, lembra, "é que se pararmos a medição, o emaranhamento permanece por cerca de 1 milissegundo, o que significa que 1000 vezes por segundo, um novo lote de 15 trilhões de átomos está sendo emaranhado. E você deve pensar que 1 ms é muito tempo para os átomos, tempo suficiente para que ocorram cerca de 50 colisões aleatórias. Isso mostra claramente que o emaranhamento não é destruído por esses eventos aleatórios. Este é talvez o resultado mais surpreendente do trabalho. "

A observação desse estado quente e confuso abre o caminho para a detecção de campo magnético ultrassensível. Por exemplo, em magnetoencefalografia (imagem magnética do cérebro), uma nova geração de sensores usa esses mesmos sensores gases atômicos de alta densidade para detectar os campos magnéticos produzidos pela atividade cerebral. Os novos resultados mostram que o emaranhamento pode melhorar a sensibilidade desta técnica, que tem aplicações em neurocirurgia e ciência do cérebro fundamental.

ICREA Prof. do ICFO Morgan Mitchell diz:“Este resultado é surpreendente, um desvio real do que todos esperam do enredamento. Esperamos que esse tipo de estado gigantesco emaranhado leve a um melhor desempenho do sensor em aplicações que vão desde imagens cerebrais a carros autônomos e pesquisas de matéria escura. "

Um Spin Singlet e QND

Um singlete de spin é uma forma de emaranhamento em que os spins das partículas múltiplas - seu momento angular intrínseco - somam 0, o que significa que o sistema tem momento angular total zero. Neste estudo, os pesquisadores aplicaram a medição de não demolição quântica (QND) para extrair a informação do spin de trilhões de átomos.

A técnica passa fótons de laser com uma energia específica através do gás dos átomos. Os fótons com esta energia precisa não excitam os átomos, mas eles próprios são afetados pelo encontro. Os spins dos átomos agem como ímãs para girar a polarização da luz. Ao medir o quanto a polarização dos fótons mudou depois de passar pela nuvem, os pesquisadores são capazes de determinar o spin total do gás dos átomos.

O regime SERF

Os magnetômetros atuais operam em um regime chamado SERF, longe das temperaturas quase de zero absoluto que os pesquisadores normalmente empregam para estudar átomos emaranhados. Neste regime, qualquer átomo experimenta muitas colisões aleatórias com outros átomos vizinhos, tornando as colisões o efeito mais importante sobre o estado do átomo.

Além disso, porque eles estão em um meio quente em vez de um ultracold, as colisões rapidamente tornam aleatória a rotação dos elétrons em qualquer átomo. O experimento mostra, surpreendentemente, que esse tipo de perturbação não rompe os estados emaranhados; simplesmente passa o emaranhado de um átomo para outro.