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¿Cómo Se Crea El Entrelazamiento Cuántico?

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Una mañana de la semana pasada, llegué al campus al mismo tiempo que un colega del departamento de historia que estudia Historia de la física. Mientras caminábamos hacia el centro del campus desde El Estacionamiento, hizo la pregunta del título de este post: «¿Cómo se crea el entrelazamiento cuántico?»Señaló que había leído muchos artículos de ciencia pop que hablaban de los aspectos extraños de la física que ocurren una vez que se tienen dos partículas enredadas, pero tendían a saltarse ligeramente los detalles de cómo las enredan en primer lugar.,

tuvimos una agradable conversación al respecto mientras caminábamos, y archivé eso como un tema para una publicación de blog. Pensé que si mi colega estaba confundido sobre eso, entonces un montón de otras personas probablemente también lo estén. Y aunque ciertamente he escrito mucho sobre entrelazamiento aquí (la primera página de los resultados de Google para» entrelazamiento de orzel forbes » da uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve enlaces, y eso no es todo), también es cierto que no he entrado en muchos detalles sobre la creación de entrelazamiento., Que resulta ser más fácil de lo que podrías pensar por los tratamientos de física pop que enfatizan su rareza, y esa es una excelente excusa para una publicación de blog.

antes de hacer eso, sin embargo, es importante establecer los parámetros básicos de lo que entendemos por «entrelazamiento cuántico.»La idea central es muy simple: tienes dos partículas, cada una de las cuales puede estar en uno de dos estados, y las pones en un estado donde sus estados son indeterminados, pero correlacionados., Si las mides individualmente, obtienes una distribución aleatoria de las respuestas «0» y «1», pero si repites las mediciones muchas veces para muchos pares idénticos preparados, encontrarás que las listas resultantes de las mediciones «0» y «1» son idénticas. El estado de una de las dos partículas depende del Estado de la otra, y esa correlación se mantendrá incluso cuando estén separadas.,

Ahora, he aquí una breve descripción de cuatro maneras que usted puede tomar dos objetos y se los pone en este tipo de enredados estado cuántico:

esquema de la tercer Aspecto experimento de prueba cuántica no-localidad. Fotones enredados de la… fuente se envían a dos interruptores rápidos, que los dirigen a los detectores de polarización. Los interruptores cambian la configuración muy rápidamente, cambiando efectivamente la configuración del detector para el experimento mientras los fotones están en vuelo., (Figura de Chad Orzel)

1) entrelazamiento desde el nacimiento: la gran mayoría de los experimentos de entrelazamiento cuántico hasta la fecha utilizan fotones como partículas enredadas, por la simple razón de que es realmente fácil enredar dos fotones. Y la mayoría de las formas en que la gente tiene que enredar los fotones te dan un estado enredado desde el primer momento.

la forma histórica de hacer esto es usar una transición «en cascada», como lo hicieron Alain Aspect y sus colegas en un conjunto clásico de experimentos a principios de la década de 1980, y por Freedman y Clauser algo antes., En estos experimentos, ponen un montón de átomos de calcio en un nivel de energía altamente excitado donde se prohíbe que el electrón regrese al estado fundamental emitiendo un solo fotón. En cambio, se descomponen emitiendo dos fotones, pasando por un estado intermedio con una vida útil corta. La emisión de un fotón es seguida en unos pocos nanosegundos por la emisión del segundo, así que si ves uno, sabes que el otro debería estar en algún lugar., Y mientras estos fotones se emiten en direcciones aleatorias, cuando sucede que se emiten en direcciones opuestas, entonces la conservación de angular requiere que sus polarizaciones tengan que estar correlacionadas entre sí: es decir, necesitan estar en un estado enredado.

Las Fuentes en cascada funcionan, pero son bastante lentas porque cada átomo dispara fotones en direcciones aleatorias, por lo que obtener dos fotones enviados en las direcciones correctas para golpear sus detectores puede tomar un tiempo., El negocio del entrelazamiento cuántico fue revolucionado por el desarrollo de fuentes de «downconversión paramétrica», que utilizan cristales ópticos no lineales para convertir fotones individuales de alta energía en pares de fotones con la mitad de la energía inicial. Un láser violeta que brilla en uno de estos cristales (el material más común utilizado es «beta bario borato» o «BBO») producirá un pequeño número de pares de fotones del infrarrojo cercano., Todavía hay un poco de aleatoriedad en el proceso, pero la conservación del momento requiere que los pares salgan en lados opuestos de un cono alrededor del rayo láser original, lo que le permite colocar dos detectores en el lugar exacto para capturar los fotones. Y con la disposición adecuada del cristal (en realidad dos cristales delgados pegados juntos de la manera correcta), las polarizaciones de los dos fotones se correlacionarán exactamente de la manera que necesita para demostrar el entrelazamiento.,

estas fuentes de downconversion paramétricas le dan una tasa de conteo mucho más alta, lo que permite que los experimentos alcancen niveles verdaderamente ridículos de significación estadística. El sistema básico también es lo suficientemente simple como para ser un experimento de laboratorio de pregrado; hemos tenido varios estudiantes en los últimos años haciendo sus tesis de último año sobre la conversión paramétrica descendente (no con entrelazamiento, todavía, pero tengo algunos estudiantes de verano alineados para trabajar en eso). Estas son también las fuentes clave para los experimentos de teletransportación cuántica, y muchos experimentos de información cuántica., Si lees una noticia cuyo titular hace referencia a la descripción burlona de Einstein del entrelazamiento, «interacción espeluznante a distancia», probablemente hay un 75% de probabilidad de que describa experimentos que usan downconversion paramétrica de alguna manera.

la Imagen de un sistema de trampa de iones-la computación cuántica. Del grupo Monroe en JQI: http://iontrap.umd.edu/

2) enredo de segunda generación., Los fotones son excelentes para demostrar el enredo y transmitir información, pero el mundo no es solo fotones, y tienen algunas desventajas significativas. El principal de ellos es que son difíciles de mantener, ya que por definición siempre se mueven a la velocidad de la luz. Para muchos propósitos, sería mejor enredar partículas materiales en su lugar, porque son más fáciles de retener durante largos períodos de tiempo.,

una de las formas más simples de imaginar hacer esto es simplemente tomar un par de fotones que se producen en un estado enredado, y dirigirlos, por ejemplo, a un par de átomos que pueden absorber los fotones en cuestión. El estado final de la absorción de fotones dependerá de la polarización de los fotones, por lo que como las polarizaciones son indeterminadas pero correlacionadas, terminarás con dos átomos cuyos estados son indeterminados pero correlacionados.,

en la práctica, esto es un poco complicado, ya que los tipos de fotones enredados que puedes generar fácilmente no se conectan fácilmente a Estados atómicos que duran mucho tiempo. Si eres inteligente, sin embargo, puedes encontrar maneras de hacer este tipo de cosas, y convertir el entrelazamiento de fotones en entrelazamiento de los átomos que absorben esos fotones.

Aparatos para enredar iones separados, mostrando los dos sistemas de vacío. (Foto de la JQI)

3) Enredo Por Accidente. Este método es un truco inteligente que convierte el método anterior de adentro hacia afuera., Es decir, comienza con un par de átomos en diferentes ubicaciones que emiten fotones. Unir los fotones de la manera correcta puede enredar los estados de los dos fotones, de una manera que conduce al entrelazamiento de los átomos originales.

primero aprendí sobre esto en experimentos del grupo de Chris Monroe en Maryland (enlace a un artículo en mi otro blog), donde usaron iones de iterbio retenidos en trampas de iones separadas. Los iones fueron excitados a un estado desde el cual podían decaer de una de dos maneras, emitiendo un fotón con una de dos polarizaciones., Se recoge el emite fotones, y ponerlos juntos en un beamsplitter, con dos fotodetectores colocado en las dos salidas de la beamsplitter.

En esta configuración, el 25% del tiempo consiguen dos fotones que llega el beamsplitter, que van a detectar un fotón en cada salida. Desde la óptica cuántica, sabemos que cuando esto sucede los dos fotones tenían polarizaciones opuestas, lo que significa que los dos iones han terminado en dos estados diferentes. Pero no tienen forma de saber qué ion emitió qué fotón., Por lo tanto, los dos iones terminan enredados: si mides los estados individuales, obtienes resultados aleatorios, pero si comparas las listas de resultados para cada ion en muchas repeticiones, encuentras que están perfectamente correlacionados.

esto es inherentemente probabilístico, y los experimentos originales en 2009 (- ish) fueron muy lentos. Han hecho algunos refinamientos del esquema básico, pero todavía no es una fuente tan conveniente de pares enredados como se obtiene con la conversión descendente paramétrica., Es, sin embargo, un truco excepcionalmente genial, porque los dos iones nunca están cerca uno del otro’re están atrapados en cámaras de vacío completamente separadas, en diferentes partes de la mesa láser. Lo único que se une es la luz que emiten, pero eso es suficiente para enredar los iones, con todos los extraños resultados que se derivan de eso.

esquema de la Rydberg bloqueo de esquema. Izquierda: dos átomos de estado fundamental no se afectan entre sí, y… puede ser excitado por un láser (flecha verde)., Medio: una vez que un átomo está excitado, cambia los niveles de energía del otro, bloqueando la excitación del láser. Derecha: el estado enredado que resulta de poner el primer átomo en una superposición y luego tratar de excitar el segundo. (Figura Chad Orzel)

4) Enredo Por la Interacción. La parte más fría del método anterior, que los iones siempre están separados, apunta hacia el método final de generar entrelazamiento, que es solo unir los dos y permitirles interactuar de tal manera que los estados finales de las dos partículas dependan el uno del otro., Ese es, después de todo, el significado esencial de lo que es un estado enredado.

hay un montón de formas de hacer esto, en su mayoría asociadas con diferentes esquemas de computación cuántica, pero podría ser más fácil de imaginar usando un esquema de «bloqueo de Rydberg». La idea aquí es que si tienes dos átomos de estado fundamental separados por una distancia pequeña, no se afectan entre sí, pero si excitas esos átomos a un estado de muy alta energía (un «estado de Rydberg» en la jerga de la física atómica), interactúan en rangos más largos, y por lo tanto pueden cambiar los niveles de energía de los demás.,

si arreglas las cosas correctamente, excitar un átomo al Estado de Rydberg cambiará los niveles de energía del otro lo suficiente como para que no pueda ser excitado por el mismo láser. Por lo tanto, se utiliza un pulso láser para poner uno en una superposición del estado fundamental y el estado de Rydberg, a continuación, tratar de excitar el segundo átomo, termina en una superposición que es perfectamente Anti-correlacionado con el primer átomo: la parte del primer átomo que está en el estado fundamental se empareja con la parte del segundo átomo que está en el nivel de Rydberg, y viceversa. En otras palabras, los dos átomos están ahora enredados.,

Este es un ejemplo simple de una interacción que conduce a Estados finales indeterminados pero correlacionados, pero transmite la idea clave. Cada vez que se pueden unir dos sistemas de tal manera que el estado final de una partícula depende del Estado de entrada de la otra, se puede hacer un estado enredado haciendo que ese estado de entrada sea una superposición cuántica. Esto necesariamente conducirá a un par de partículas cada una de las cuales está en un estado indeterminado, con cualquier medida eventual de esos estados perfectamente correlacionados (o anti-correlacionados)., Es una idea poderosa, y central en casi todos los esquemas de computación cuántica.

vale la pena señalar, aquí, que todos estos esquemas tienen una característica común, a saber, que el enredo se crea de manera local., Es decir, los esquemas o involucran partículas enredadas que están en el mismo lugar en algún punto (los fotones enredados provienen del mismo átomo o fotón de entrada, y los átomos que interactúan están necesariamente cerca entre sí), o interactúan a través de algo que pasa entre ellos a no más de la velocidad de la luz (un par de fotones enredados que viajan a átomos separados, o los fotones de dos iones que viajan a un divisor de haz)., Esta es una característica crítica para mantener contenida la rareza del entrelazamiento you no puedes enredar arbitrariamente dos partículas que no tienen una historia común, lo que descarta la mayoría de los intentos de justificar fenómenos paranormales invocando el entrelazamiento cuántico.

estos métodos para generar entrelazamiento son muy generales, y hay numerosos detalles técnicos de implementarlos con sistemas específicos que estoy omitiendo., Sin embargo, estos deberían ayudar a transmitir las ideas generales, por lo que la próxima vez que lea un artículo de ciencia pop sobre el entrelazamiento cuántico, tendrá una mejor idea de dónde proviene.

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