Mostrando un controllo preciso a livello quantistico, i fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un metodo per fare in modo che uno ione (atomo caricato elettricamente) mostri quantità esatte di movimento a livello quantistico, qualsiasi quantità specifica fino a 100 pacchetti di energia o "quanta, " più di cinque volte il record precedente di 17.

Meccanica quantistica, la teoria fondamentale del mondo atomico, afferma che l'energia viene rilasciata o assorbita in piccoli pacchi, o pacchetti, chiamato quanti. Gli atomi rilasciano energia luminosa irradiando fotoni, o quanti di luce. Quando viene catturato in una trappola dai ricercatori, l'energia di movimento degli atomi è trasportata dai fononi, o quanti di moto.

Oltre a creare numeri singoli di quanti, il team del NIST ha controllato il movimento pendolare del loro ione per mostrare simultaneamente due diverse quantità di quanti di movimento:zero (movimento minimo) più qualsiasi numero fino a 18. Tale "sovrapposizione" di due stati è un segno distintivo del curioso mondo quantistico.

Pubblicato online da Natura il 22 luglio, i nuovi metodi potrebbero essere utilizzati con qualsiasi oscillatore meccanico quantistico, compresi i sistemi che oscillano come un semplice pendolo o vibrano come una molla. Le tecniche potrebbero portare a nuovi tipi di simulatori e sensori quantistici che utilizzano i fononi come vettori di informazioni. Inoltre, la capacità di adattare gli stati di sovrapposizione può migliorare le misurazioni quantistiche e l'elaborazione delle informazioni quantistiche. L'uso dello ione in sovrapposizione come strumento di misurazione della frequenza ha più che raddoppiato la precisione rispetto alle misurazioni convenzionali della frequenza di vibrazione dello ione.

"Se abbiamo il controllo quantistico di un oggetto, possiamo "piegare" le regole classiche per avere minori incertezze in certe direzioni desiderate a scapito di maggiori incertezze in altre direzioni, "La prima autrice Katie McCormick ha detto. "Possiamo quindi utilizzare lo stato quantistico come un righello per misurare le proprietà di un sistema. Più controllo quantistico abbiamo, quanto più strette sono le linee sul righello, permettendoci di misurare quantità sempre più precise."

Gli esperimenti sono stati eseguiti con un singolo ione berillio tenuto 40 micrometri sopra gli elettrodi d'oro di una trappola elettromagnetica refrigerata. I nuovi risultati sono stati possibili perché i ricercatori del NIST sono stati in grado di ridurre al minimo i fattori indesiderati come i campi elettrici vaganti che scambiano energia e distruggono lo ione, disse McCormick.

Per aggiungere fononi allo ione, I ricercatori del NIST hanno alternato impulsi laser ultravioletti appena sopra e sotto la differenza di frequenza tra due degli stati di "spin" degli ioni, o configurazioni energetiche interne. Ogni impulso capovolgeva lo ione da "spin up" a "spin down" o viceversa, con ogni capovolgimento aggiungendo un quanto di movimento oscillatorio ionico. Per creare sovrapposizioni, i ricercatori hanno applicato quegli impulsi laser solo a metà della funzione d'onda dello ione (il modello ondulatorio della probabilità della posizione della particella e dello stato di rotazione). L'altra metà della funzione d'onda si trovava in un terzo stato di rotazione non influenzato dagli impulsi laser e rimaneva immobile.

Le sovrapposizioni dello stato immobile (o fondamentale) dello ione e un numero di fononi più alto hanno dato ai ricercatori del NIST una sensibilità di misurazione "potenziata dai quanti", o precisione. Hanno usato lo ione come interferometro, uno strumento che divide e fonde due onde parziali per creare un modello di interferenza che può essere analizzato per caratterizzare la frequenza. I ricercatori del NIST hanno utilizzato l'interferometro per misurare la frequenza di oscillazione dello ione con un'incertezza inferiore a quella normalmente possibile.

Nello specifico, precisione di misura aumentata linearmente con il numero di quanti di movimento, fino alla migliore prestazione nello stato di sovrapposizione 0 e 12, che offriva più del doppio della sensibilità di uno stato quantistico a comportamento classico (tecnicamente composto da un insieme di stati numerici). Anche quello stato di sovrapposizione 0 e 12 era più di sette volte più preciso della più semplice sovrapposizione interferometrica di 0 e 1.

Per capire perché gli stati di sovrapposizione aiutano a misurare più precisamente la frequenza di oscillazione dello ione, McCormick suggerisce di immaginare una ruota con i raggi.

"In un certo spazio astratto che descrive la posizione e la quantità di moto dello ione, l'oscillazione è rappresentata da una rotazione, " ha detto McCormick. "Vogliamo essere in grado di misurare questa rotazione in modo molto preciso. Le sovrapposizioni dello stato fondamentale di moto dello ione e gli stati di numero più alto sono un ottimo righello per questa misurazione perché, in questa rappresentazione astratta, possono essere visualizzati come una ruota a raggi. Questi raggi possono essere utilizzati per determinare la quantità di rotazione dello stato. E più alto è il numero di stato, più raggi ci sono e più precisamente possiamo misurare questa rotazione."

La sensibilità di misurazione offerta dagli stati di sovrapposizione dovrebbe aiutare a caratterizzare e ridurre il rumore nel movimento, un'importante fonte di errore che i ricercatori vogliono ridurre al minimo nell'elaborazione delle informazioni quantistiche con ioni intrappolati.