Utilizzando un condensato di Bose-Einstein composto da milioni di atomi di sodio, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno osservato una netta transizione di fase quantistica indotta magneticamente dove si aspettano di trovare coppie atomiche entangled. Il lavoro avvicina gli scienziati a uno stato inafferrabile e inafferrabile che avrebbe potenziali applicazioni di rilevamento e calcolo al di là dei suoi interessi scientifici di base.

L'uso di atomi entangled da un condensato potrebbe migliorare la sensibilità e ridurre il rumore nel rilevamento di cambiamenti molto piccoli nelle proprietà fisiche come i campi magnetici o la rotazione. E potrebbe anche fornire una base per computer quantistici in grado di eseguire determinati calcoli molto più velocemente dei computer digitali convenzionali.

Patrocinato dalla National Science Foundation, la ricerca è stata riportata il 23 gennaio come comunicazione rapida sulla rivista Revisione fisica A .

"Abbiamo definito una finestra in cui ci aspettiamo di poter osservare l'entanglement, " ha detto Chandra Raman, professore associato presso la Georgia Tech School of Physics. "Ora sappiamo dove cercarlo, e sappiamo come cercarlo."

Raman e l'ex studente laureato Anshuman Vinit hanno studiato i condensati di Bose-Einstein (BEC) come fonte di entanglement, cercando di sfruttare la purezza quantistica del sistema per creare condizioni in cui potrebbe verificarsi una correlazione tra gli atomi. I BEC normalmente non contengono atomi entangled.

"Abbiamo trovato il modo di progettare il sistema per creare entanglement, " Ha spiegato Raman. "Abbiamo osservato il comportamento del sistema mentre sintonizzavamo il campo magnetico molto vicino al confine di fase e mostravamo che il confine aveva un punto molto nettamente definito. Siamo stati in grado di risolvere quel confine con un livello di incertezza che non pensavamo di poter ottenere finché non abbiamo fatto l'esperimento".

Le previsioni teoriche hanno suggerito che al confine tra diverse fasi magnetiche di un condensato spinore di Bose-Einstein, gli scienziati troverebbero uno stato quantico entangled di tutti gli atomi. Nei condensati spinori di Bose-Einstein, i singoli momenti magnetici non hanno bisogno di avere un orientamento ben definito nello spazio, ma piuttosto, possono esistere in una sovrapposizione di orientamenti diversi.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno identificato due fasi:antiferromagnetica e polare. Nella fase polare, gli atomi allineano tutti i loro momenti verticalmente, mentre nella fase antiferromagnetica, sono allineati orizzontalmente. In un BEC esattamente al confine tra queste fasi, i teorici avevano predetto l'esistenza di una sovrapposizione quantomeccanica di tutti i possibili allineamenti, uno stato aggrovigliato.

I ricercatori non hanno ancora osservato quello stato entangled, ma il loro lavoro finora ha definito una finestra sperimentale all'interno della quale cercare nuovi effetti fisici che governano diverse fasi magnetiche, o per generare stati entangled rilevanti per i sistemi quantistici.

Ricerche precedenti nel laboratorio di Raman avevano prodotto le due fasi, ma il confine tra loro è stato "spalmato" dalle disomogeneità del campo magnetico. Appianando il campo magnetico in modo che fosse più uniforme, i ricercatori sono stati in grado di eliminare le variazioni per produrre un confine netto tra le fasi.

Nella ristretta area di transizione individuata nella ricerca, gli atomi sono lacerati tra le due fasi, provocando la formazione di coppie intrecciate, ha detto Raman. Lo stato può essere abbastanza stabile da trovare applicazioni pratiche, anche se gli scienziati non lo sapranno con certezza finché non potranno effettivamente osservare e misurare le proprietà.

I ricercatori hanno misurato il confine nel loro sistema "saltando" il campo magnetico da una parte all'altra del BEC. La mossa ha creato un'instabilità dinamica nel sistema atomico; maggiore è l'instabilità, minore è il tempo necessario al sistema per tornare all'equilibrio, come previsto dalla teoria quantistica.

I ricercatori ora credono di aver posto le basi per osservare l'entanglement in gruppi più piccoli di atomi, forse non più di mille.

"Alla nostra attuale sensibilità, pensiamo di poter osservare questi stati correlati allo spin con un numero ragionevole di particelle, " ha detto Raman. "Pensiamo che sia sperimentalmente fattibile, e poiché possiamo misurare il confine con precisione, possiamo iniziare a testare le teorie che governano il comportamento in questo regime".

Una volta mostrato, il grande insieme di atomi potrebbe essere scomposto in molti gruppi più piccoli che operano indipendentemente, ciascuno con confini di fase contenenti atomi entangled.

Sebbene Raman trovi interessanti la scienza di base e l'informatica quantistica, è ugualmente entusiasta delle potenziali applicazioni di rilevamento.

"Se potessi ridurre il livello di rumore attraverso l'uso intelligente delle sovrapposizioni della meccanica quantistica, potresti realizzare sensori più precisi e rilevare effetti più piccoli, " ha detto. "Nel rilevamento quantistico si potrebbe usare l'entanglement per aumentare la precisione delle misurazioni a livelli che, nei sistemi di sensori classici, avrebbe un livello di rumore più alto."

Nei sistemi oscillanti classici come il lancio della moneta, ogni flip è un sistema indipendente e ha un certo livello di rumore. Ma a causa della correlazione, le coppie atomiche non sarebbero più sistemi indipendenti.

"In un sistema classico ordinario, c'è una certa quantità di rumore che ha a che fare con il fatto che si stanno effettuando misurazioni su sistemi indipendenti, " ha detto. "Nei sistemi quantistici, è possibile sopprimere quel rumore se gli atomi sono correlati. È come se le monete parlassero tra loro".

I sensori quantistici potrebbero quindi essere in grado di rilevare cambiamenti nella rotazione o variazioni magnetiche che sono troppo piccoli per i sensori di oggi. Altre applicazioni potrebbero essere trovate nella misurazione spettroscopica, ha detto Raman.