I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sfruttato il fenomeno della "spremitura quantistica" per amplificare e misurare i movimenti di trilionesimi di metro di uno ione di magnesio intrappolato solitario (atomo caricato elettricamente).

Descritto nel numero del 21 giugno di Scienza , Il NIST è rapido, il metodo di spremitura reversibile potrebbe migliorare il rilevamento di campi elettrici estremamente deboli nelle applicazioni di scienze delle superfici, Per esempio, o rilevare l'assorbimento di piccolissime quantità di luce in dispositivi come gli orologi atomici. La tecnica potrebbe anche accelerare le operazioni in un computer quantistico.

"Utilizzando la spremitura, possiamo misurare con una sensibilità maggiore di quella che si potrebbe ottenere senza effetti quantistici, ", ha detto l'autore principale Shaun Burd.

"Dimostriamo uno dei più alti livelli di spremitura quantistica mai riportati e lo usiamo per amplificare piccoli movimenti meccanici, Il fisico del NIST Daniel Slichter ha dichiarato:"Siamo 7,3 volte più sensibili a questi movimenti di quanto sarebbe possibile senza l'uso di questa tecnica".

Anche se spremere un'arancia potrebbe creare un pasticcio succoso, la spremitura quantistica è un processo molto preciso, che sposta l'incertezza di misura da un punto all'altro.

Immagina di tenere in mano un lungo palloncino, e l'aria al suo interno rappresenta l'incertezza. La spremitura quantica è come pizzicare il palloncino su un'estremità per spingere l'aria nell'altra estremità. Sposta l'incertezza da un punto in cui desideri misurazioni più precise, in un altro luogo, dove puoi vivere con meno precisione, mantenendo la stessa incertezza totale del sistema.

Nel caso dello ione magnesio, le misurazioni del suo movimento sono normalmente limitate dalle cosiddette fluttuazioni quantistiche nella posizione e nel momento dello ione, che si verificano continuamente, anche quando lo ione ha l'energia più bassa possibile. La spremitura manipola queste fluttuazioni, ad esempio spingendo l'incertezza dalla posizione al momento quando si desidera una migliore sensibilità alla posizione.

Nel metodo del NIST, un singolo ione è tenuto nello spazio di 30 micrometri (milionesimi di metro) sopra un chip di zaffiro piatto ricoperto di elettrodi d'oro usati per intrappolare e controllare lo ione. Gli impulsi laser ea microonde vengono applicati per calmare gli elettroni e il movimento degli ioni ai loro stati di energia più bassa. Il movimento viene quindi schiacciato agitando la tensione su alcuni elettrodi al doppio della frequenza naturale del movimento avanti e indietro dello ione. Questo processo dura solo pochi microsecondi.

Dopo la spremitura, un piccolo, campo elettrico oscillante "segnale di prova" viene applicato allo ione per farlo muovere un po' nello spazio tridimensionale. Per essere amplificato, questo movimento extra deve essere "sincronizzato" con la spremitura.

Finalmente, si ripete la fase di spremitura, ma ora con le tensioni degli elettrodi esattamente fuori sincrono con le tensioni di compressione originali. Questa compressione non sincronizzata inverte la compressione iniziale; però, allo stesso tempo amplifica il piccolo movimento causato dal segnale di prova. Una volta completato questo passaggio, l'incertezza nel moto degli ioni è tornata al suo valore originale, ma il movimento avanti e indietro dello ione è maggiore che se il segnale di prova fosse stato applicato senza nessuna delle fasi di compressione.

Per ottenere i risultati, un campo magnetico oscillante viene applicato per mappare o codificare il movimento dello ione sul suo stato di "spin" elettronico, che viene quindi misurato puntando un laser sullo ione e osservando se è fluorescente.

L'utilizzo di un segnale di prova consente ai ricercatori del NIST di misurare la quantità di amplificazione fornita dalla loro tecnica. In un'applicazione di rilevamento reale, il segnale di prova verrebbe sostituito dal segnale effettivo da amplificare e misurare.

Il metodo NIST può amplificare e misurare rapidamente movimenti di ioni di soli 50 picometri (trilionesimi di metro), che è circa un decimo delle dimensioni dell'atomo più piccolo (idrogeno) e circa un centesimo delle dimensioni delle fluttuazioni quantistiche non schiacciate. Anche i movimenti più piccoli possono essere misurati ripetendo l'esperimento più volte e calcolando la media dei risultati. La tecnica di amplificazione basata sulla compressione consente di rilevare movimenti di una determinata dimensione con misurazioni 53 volte inferiori rispetto a quelle che sarebbero altrimenti necessarie.

La compressione è stata precedentemente ottenuta in una varietà di sistemi fisici, compresi gli ioni, ma il risultato del NIST rappresenta uno dei più grandi miglioramenti di rilevamento basati sulla compressione mai riportati.

Il nuovo metodo di compressione del NIST può aumentare la sensibilità di misurazione nei sensori quantistici e potrebbe essere utilizzato per creare più rapidamente entanglement, che collega le proprietà delle particelle quantistiche, accelerando così la simulazione quantistica e le operazioni di calcolo quantistico. I metodi potrebbero anche essere usati per generare stati di movimento esotici. Il metodo di amplificazione è applicabile a molti altri oggetti meccanici vibranti e altre particelle cariche come gli elettroni.