Os átomos em uma rede óptica realizam uma "caminhada quântica", onde experimentam muitos fenômenos quânticos diferentes, como superposição ou tunelamento à medida que se movem pela rede. Crédito:Alex Downham, Default Interactive e Steven Burrows/JILA Na vida cotidiana, quando dois objetos são “indistinguíveis”, isso se deve a um estado imperfeito de conhecimento. Enquanto um mágico de rua embaralha os copos e as bolas, você poderia, em princípio, saber qual é qual bola à medida que elas passam entre os copos. No entanto, nas menores escalas da natureza, mesmo o mágico não consegue distinguir uma bola da outra.
A verdadeira indistinguibilidade deste tipo pode alterar fundamentalmente o comportamento das bolas. Por exemplo, em um experimento clássico de Hong, Ou e Mandel, dois fótons (bolas) idênticos que atingem lados opostos de um espelho semi-refletivo sempre saem do mesmo lado do espelho (no mesmo copo). Isso resulta de um tipo especial de interferência, e não de qualquer interação entre os fótons. Com mais fotões e mais espelhos, esta interferência torna-se enormemente complicada.
Medir o padrão de fótons que emerge de um determinado labirinto de espelhos é conhecido como “amostragem de bósons”. Acredita-se que a amostragem de bósons seja inviável para simular em um computador clássico para mais do que algumas dezenas de fótons. Como resultado, tem havido um esforço significativo para realizar tais experimentos com fótons reais e demonstrar que um dispositivo quântico está executando uma tarefa computacional específica que não pode ser realizada classicamente. Este esforço culminou em recentes reivindicações de vantagem quântica usando fótons.
Agora, em um artigo publicado recentemente na Nature , JILA Fellow e físico do NIST e professor de física em Boulder da Universidade do Colorado Adam Kaufman e sua equipe, juntamente com colaboradores do NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia), demonstraram um novo método de amostragem de bósons usando átomos ultrafrios (especificamente, átomos bosônicos ) em uma rede óptica bidimensional de feixes de laser que se cruzam.
Usando ferramentas como pinças ópticas, padrões específicos de átomos idênticos podem ser preparados. Os átomos podem ser propagados através da rede com perdas mínimas e suas posições detectadas com precisão quase perfeita após sua jornada. O resultado é uma implementação da amostragem de bósons que representa um salto significativo além do que foi alcançado antes, seja em simulações de computador ou com fótons.
“As pinças ópticas permitiram experiências inovadoras na física de muitos corpos, muitas vezes para estudos de átomos que interagem com muitos, onde os átomos estão presos no espaço e interagem a longas distâncias”, diz Kaufman. "No entanto, uma grande classe de problemas fundamentais de muitos corpos - os chamados sistemas 'Hubbard' - surge quando as partículas podem interagir e criar túneis, espalhando-se mecanicamente quântica no espaço. No início da construção deste experimento, tínhamos o objetivo de aplicar este paradigma de pinça para sistemas Hubbard de grande escala – esta publicação marca a primeira realização dessa visão."
Técnicas para melhor controle
Para alcançar esses resultados, os pesquisadores usaram diversas técnicas de ponta, incluindo pinças ópticas – lasers altamente focados que podem mover átomos individuais com extrema precisão – e métodos avançados de resfriamento que aproximam os átomos da temperatura zero absoluta, minimizando seu movimento e permitindo precisão. controle e medição.
Semelhante à forma como uma lupa cria uma picada de luz quando focada, as pinças ópticas podem reter átomos individuais em poderosos feixes de luz, permitindo que sejam movidos com extrema precisão. Usando essas pinças, os pesquisadores prepararam padrões específicos de até 180 átomos de estrôncio em uma rede de 1.000 locais, formada pela interseção de feixes de laser que criam um padrão semelhante a uma grade de poços de energia potencial para capturar os átomos. Os pesquisadores também usaram técnicas sofisticadas de resfriamento a laser para preparar os átomos, garantindo que permanecessem em seu estado de energia mais baixo, reduzindo assim o ruído e a decoerência – desafios comuns em experimentos quânticos.
O físico do NIST Shawn Geller explicou que o resfriamento e a preparação garantiram que os átomos fossem tão idênticos quanto possível, removendo quaisquer rótulos, como estados internos individualizados ou estados de movimento, que poderiam tornar um determinado átomo diferente dos outros.
“Adicionar um rótulo significa que o universo pode dizer qual átomo é qual, mesmo que você não consiga ver o rótulo como um experimentador”, diz o primeiro autor e ex-aluno de pós-graduação da JILA, Aaron Young. "A presença de tal rótulo mudaria isso de um problema de amostragem absurdamente difícil para um problema completamente trivial."
Uma questão de escala
Pela mesma razão que a amostragem de bósons é difícil de simular, verificar diretamente se a tarefa de amostragem correta foi realizada não é viável para experimentos com 180 átomos. Para superar esse problema, os pesquisadores coletaram amostras de seus átomos em várias escalas.
Segundo Young, “fazemos testes com dois átomos, onde entendemos muito bem o que está acontecendo. Então, em uma escala intermediária onde ainda podemos simular coisas, podemos comparar nossas medições com simulações envolvendo modelos de erro razoáveis para nosso experimento. escala, podemos variar continuamente o quão difícil é a tarefa de amostragem, controlando o quão distinguíveis são os átomos e confirmar que nada dramático está acontecendo de errado."
Geller acrescenta:“O que fizemos foi desenvolver testes que usam a física que conhecemos para explicar o que pensamos que está acontecendo”.
Através deste processo, os pesquisadores conseguiram confirmar a alta fidelidade da preparação do átomo e posterior evolução dos estados quânticos dos átomos em comparação com demonstrações anteriores de amostragem de bósons. Em particular, a perda muito baixa de átomos em comparação com os fótons durante a evolução dos átomos impede técnicas computacionais modernas que desafiam as demonstrações anteriores de vantagens quânticas.
A preparação, evolução e detecção programável e de alta qualidade de átomos em uma rede demonstrada neste trabalho pode ser aplicada na situação em que os átomos interagem. Isso abre novas abordagens para simular e estudar o comportamento de materiais quânticos reais, e de outra forma pouco compreendidos.
“O uso de partículas não interagentes permitiu-nos levar este problema específico de amostragem de bósons para um novo regime”, diz Kaufman. "No entanto, muitos dos problemas mais fisicamente interessantes e computacionalmente desafiadores surgem com sistemas de muitas partículas em interação. No futuro, esperamos que a aplicação dessas novas ferramentas a tais sistemas abra a porta para muitos experimentos interessantes."
