Como maestros de uma sinfonia assustadora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) "enredaram" dois pequenos tambores mecânicos e mediram com precisão suas propriedades quânticas vinculadas. Pares emaranhados como esse podem algum dia realizar cálculos e transmitir dados em redes quânticas de grande escala.

A equipe do NIST usou pulsos de microondas para atrair os dois minúsculos tambores de alumínio para uma versão quântica do Lindy Hop, com um parceiro batendo em um padrão frio e calmo, enquanto o outro estava balançando um pouco mais. Os pesquisadores analisaram sinais semelhantes aos de um radar para verificar se os passos dos dois tambores formavam um padrão emaranhado - um dueto que seria impossível no mundo clássico cotidiano.

A novidade não é tanto a dança em si, mas a capacidade dos pesquisadores de medir as batidas dos tambores, subindo e descendo por apenas um quatrilionésimo de metro, e verificar seu frágil emaranhamento, detectando relações estatísticas sutis entre seus movimentos.

A pesquisa é descrita na edição de 7 de maio da Ciência .

"Se você analisar os dados de posição e momento para os dois tambores de forma independente, cada um deles simplesmente parece gostoso, "Disse o físico do NIST John Teufel." Mas olhando para eles juntos, podemos ver que o que parece movimento aleatório de um tambor está altamente correlacionado com o outro, de uma forma que só é possível por meio do emaranhamento quântico. "

A mecânica quântica foi originalmente concebida como o livro de regras para luz e matéria em escalas atômicas. Contudo, nos últimos anos, pesquisadores mostraram que as mesmas regras podem ser aplicadas a objetos cada vez maiores, como tambores. Seu movimento para frente e para trás os torna um tipo de sistema conhecido como oscilador mecânico. Esses sistemas foram emaranhados pela primeira vez no NIST cerca de uma década atrás, e, nesse caso, os elementos mecânicos eram átomos individuais.

Desde então, O grupo de pesquisa de Teufel tem demonstrado o controle quântico de membranas de alumínio semelhantes a tambores suspensas acima de tapetes de safira. Pelos padrões quânticos, os tambores do NIST são enormes, 20 micrômetros de largura por 14 micrômetros de comprimento e 100 nanômetros de espessura. Cada um deles pesa cerca de 70 picogramas, o que corresponde a cerca de 1 trilhão de átomos.

Emaranhar objetos enormes é difícil porque eles interagem fortemente com o ambiente, que pode destruir estados quânticos delicados. O grupo de Teufel desenvolveu novos métodos para controlar e medir o movimento de dois tambores simultaneamente. Os pesquisadores adaptaram uma técnica demonstrada pela primeira vez em 2011 para resfriar um único tambor, mudando de sinais de microondas estáveis ​​para pulsados ​​para otimizar separadamente as etapas de resfriamento. enredar e medir os estados. Para analisar rigorosamente o emaranhamento, experimentalistas também trabalharam mais de perto com teóricos, uma aliança cada vez mais importante no esforço global para construir redes quânticas.

O conjunto de tambores do NIST é conectado a um circuito elétrico e encerrado em uma cavidade resfriada criogenicamente. Quando um pulso de microondas é aplicado, o sistema elétrico interage com e controla as atividades dos tambores, que pode sustentar estados quânticos como emaranhamento por aproximadamente um milissegundo, muito tempo no mundo quântico.

Para os experimentos, pesquisadores aplicaram dois pulsos de microondas simultâneos para resfriar os tambores, mais dois pulsos simultâneos para enredar os tambores, e dois pulsos finais para amplificar e registrar os sinais que representam os estados quânticos dos dois tambores. Os estados são codificados em um campo de microondas refletido, semelhante ao radar. Os pesquisadores compararam os reflexos com o pulso de micro-ondas original para determinar a posição e o momento de cada tambor.

Para esfriar a bateria, os pesquisadores aplicaram pulsos em uma frequência abaixo das vibrações naturais da cavidade. Como no experimento de 2011, as batidas dos tambores convertiam os fótons aplicados na frequência mais alta da cavidade. Esses fótons vazaram da cavidade à medida que ela se encheu. Cada fóton que partia levou consigo uma unidade mecânica de energia - um fônon, ou um quantum - do movimento do tambor. Isso eliminou a maior parte do movimento do tambor relacionado ao calor.

Para criar emaranhamento, pesquisadores aplicaram pulsos de microondas entre as frequências dos dois tambores, superior ao tambor 1 e inferior ao tambor 2. Esses pulsos enredavam os fônons do tambor 1 com os fótons da cavidade, gerar pares de fóton-fônon correlacionados. Os pulsos também resfriaram ainda mais o tambor 2, à medida que os fótons saindo da cavidade foram substituídos por fônons. O que restou foram principalmente pares de fônons emaranhados compartilhados entre os dois tambores.

Para enredar os pares de fônons, a duração dos pulsos era crucial. Os pesquisadores descobriram que esses pulsos de microondas precisavam durar mais de 4 microssegundos, idealmente 16,8 microssegundos, para enredar fortemente os fônons. Durante este período de tempo, o emaranhamento ficou mais forte e o movimento de cada tambor aumentou porque eles estavam se movendo em uníssono, uma espécie de reforço simpático, Disse Teufel.

Os pesquisadores procuraram padrões nos sinais retornados, ou dados de radar. No mundo clássico, os resultados seriam aleatórios. Traçar os resultados em um gráfico revelou padrões incomuns, sugerindo que os tambores estavam emaranhados. Para ter a certeza, os pesquisadores executaram o experimento 10, 000 vezes e aplicou um teste estatístico para calcular as correlações entre vários conjuntos de resultados, como as posições dos dois tambores.

"A grosso modo, medimos como duas variáveis ​​estão correlacionadas - por exemplo, se você mediu a posição de um tambor, quão bem você poderia prever a posição do outro tambor, "Teufel disse." Se eles não têm correlações e ambos são perfeitamente frios, você só poderia adivinhar a posição média do outro tambor com uma incerteza de meio quantum de movimento. Quando eles estão emaranhados, podemos fazer melhor, com menos incerteza. Emaranhamento é a única maneira de isso ser possível. "

"Para verificar se o emaranhamento está presente, fazemos um teste estatístico chamado de 'testemunha de emaranhamento, '' 'O teórico do NIST Scott Glancy disse. "Observamos correlações entre as posições e os momentos da bateria, e se essas correlações forem mais fortes do que podem ser produzidas pela física clássica, sabemos que os tambores devem ter ficado emaranhados. Os sinais de radar medem a posição e o momento simultaneamente, mas o princípio da incerteza de Heisenberg diz que isso não pode ser feito com precisão perfeita. Portanto, pagamos um custo de aleatoriedade extra em nossas medições. Gerenciamos essa incerteza coletando um grande conjunto de dados e corrigindo a incerteza durante nossa análise estatística. "

Altamente emaranhado, sistemas quânticos massivos como este podem servir como nós de redes quânticas de longa vida. As medições de radar de alta eficiência usadas neste trabalho podem ser úteis em aplicações como o teletransporte quântico - transferência de dados sem um link físico - ou troca de emaranhamento entre nós de uma rede quântica, porque essas aplicações requerem que as decisões sejam tomadas com base nas medições dos resultados do emaranhamento. Sistemas emaranhados também podem ser usados ​​em testes fundamentais de mecânica quântica e detecção de força além dos limites quânticos padrão.