El interferómetro atómico de NIST muestra nuevos trucos cuánticos

Átomos interfiriendo entre sí. Después de que los átomos ultrafríos son manipuladores en superposiciones – cada uno situado en dos lugares simultáneamente — son liberado para permitir la interferencia de cada “doble” del átomo. Son iluminados con luz, lo cual lo ensombrece, revelando un patrón de interferencia característico, con el rojo representando una mayor densidad de átomos. Las variaciones en la densidad están causadas por la alternancia constructiva y destructiva de la interferencia entre las dos “partes” de cada átomo, amplificado por miles de átomos actuando al unísono.
Crédito: NIST

Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han demostrado una nueva forma de hacer que los átomos interfieran con otros, recreando un famoso experimento realizado originalmente con luz aunque también haciendo que los átomos hagan cosas que la luz no puede. Sus experimentos exhiben algunos de los extraordinarios comportamientos que se dan por sentados en el mundo cuántico—átomos actuando como ondas y pareciendo estar en dos lugares a la vez, para empezar — y demuestran una nueva técnica que podría ser útil en la computación cuántica con átomos neutros y posteriores estudios de los movimientos atómicos.

Los experimentos de NIST, descritos en Physical Review Letters*, recrea el experimento histórico de la “doble rendija” en el cual la luz en dirigida a través de dos aperturas separadas y los dos chorros resultantes interfieren uno con otro creando un patrón en rayas. Este experimento es una demostración clásica de que la luz se comporta como una onda, y la técnica general, llamada interferometría, se usa como herramienta de medida en muchos campos. El equipo de NIST usó átomos, los cuales, como la luz, pueden comportarse como partículas u ondas, e hicieron el patrón de interferencia de ondas, o en una curiosa situación, no.

Los interferómetros atómicos se construyeron antes, pero la técnica de NIST introduce algunos giros nuevos. Los investigadores atraparon unos 20 000 átomos de rubidio ultrafrío con unas rejillas ópticas, un entramado de luz formado por tres pares de rayos láser infrarrojos que configuran un conjunto de “pozos” de energía, con la forma de un cartón de huevos, que atrapa los átomos. Los láser están alineados para crear dos entramados horizontales superpuestos como dos mallas filtradoras, una el doble de fina que la otra en una dimensión. Si un átomo se sitúa en cada lugar del entramado más ancho, y se apagan aquellos láser cuando se activa la malla más fina, entonces cada posición se divide en dos pozos, separados por unos 400 nanómetros. Bajo las reglas del mundo cuántico, el átomo no elige entre ambos lugares sino que se supone “superposición”, situándose en ambos lugares a la vez. Las imágenes revelan un patrón de características cuando las dos partes del único átomo superpuesto interfiere con otro. (El efecto es lo bastante fuerte como para fotografiarlo debido a que sucede en miles de átomos simultáneamente — ver imagen.)

Todo cambia cuando se sitúan dos átomos en cada lugar del entramado más ancho, y esos lugares se dividen en dos. El par de átomos originales está ahora en una superposición de tres posibles configuraciones: ambos átomos en un lugar, ambos en el otro, o uno en cada. En los dos casos en los que ambos átomos están en un único sitio, interactúan el uno con el otro, alterando el patrón de interferencia — un efecto que no ocurre con la luz. El desequilibrio entre las tres configuraciones crea un efecto similar al estroboscópico. Dependiendo de cuánto tiempo se mantienen los átomos en la malla antes de ser liberados de la interferencia, el patrón de interferencia parpadea (con rayas) y deja de parpadear (sin rayas). Un similar “colapso y resurgimiento” de un patrón de interferencia se vio en experimentos similares realizados previamente en Alemania, pero tal trabajo no confinó un par de átomos en único par de lugares. Los experimentos de NIST permitieron a los investigadores medir el grado en el que tenían exactamente un átomo o exactamente dos átomos en un sólo sitio, y para hacer de forma controlada que interactuasen dos átomos exactamente. Estas son capacidades importantes para hacer un ordenador cuántico que almacene información en átomos neutros individuales.

Más información sobre computación cuántica con átomos neutros puede hallarse en www.nist.gov/public_affairs/quantum/quantum_info_index.html.

Los autores están afiliados al Instituto de Ensamblaje Cuántico, creado el año pasado por NIST y la Universidad de Maryland. La investigación fue financiada por la Oficina de Tecnología Explosiva, Oficina de Investigación Naval, y la NASA.


* J. Sebby-Strabley, B.L. Brown, M. Anderlini, P.J. Lee, W.D. Phillips, J.V. Porto y P.R. Johnson. 2007. Preparing and probing atomic number states with an atom interferometer. Physical Review Letters 98, 200405 (2007).

Autor: Laura Ost
Fecha Original: 24 de mayo de 2007
Enlace Original

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