Dirección cuántica para mediciones más precisas

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Las correlaciones de Einstein-Podolski-Rosen se pueden utilizar para mediciones de precisión. (Imagen: Jurik Peter, Shutterstock)

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Los sistemas cuánticos que constan de varias partículas se pueden utilizar para medir campos magnéticos o eléctricos con mayor precisión. Un joven físico de la Universidad de Basilea ha propuesto ahora un nuevo esquema para tales mediciones que utiliza un tipo particular de correlación entre partículas cuánticas.

Dirección cuántica para mediciones más precisas

Basilea, Suiza | Publicado el 23 de abril de 2021

En la información cuántica, los agentes ficticios Alice y Bob se utilizan a menudo para ilustrar tareas complejas de comunicación. En uno de esos procesos, Alice puede usar partículas cuánticas entrelazadas, como fotones, para transmitir o "teletransportar" un estado cuántico, desconocido incluso para ella, a Bob, algo que no es factible con las comunicaciones tradicionales.

Sin embargo, no está claro si el equipo Alice-Bob puede usar estados cuánticos similares para otras cosas además de la comunicación. Un joven físico de la Universidad de Basilea ha demostrado ahora cómo se pueden usar tipos particulares de estados cuánticos para realizar mediciones con mayor precisión de lo que normalmente permitiría la física cuántica. Los resultados se han publicado en la revista científica Nature Communications.

Dirección cuántica a distancia

Junto con investigadores de Gran Bretaña y Francia, el Dr. Matteo Fadel, que trabaja en el Departamento de Física de la Universidad de Basilea, ha pensado en cómo se pueden abordar las tareas de medición de alta precisión con la ayuda de la llamada dirección cuántica.

La dirección cuántica describe el hecho de que en ciertos estados cuánticos de sistemas que constan de dos partículas, una medición en la primera partícula permite hacer predicciones más precisas sobre los posibles resultados de medición en la segunda partícula que lo que permitiría la mecánica cuántica si solo la medición en la segunda partícula se había hecho. Es como si la medición de la primera partícula hubiera "dirigido" el estado de la segunda.

Este fenómeno también se conoce como la paradoja EPR, que lleva el nombre de Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen, quienes lo describieron por primera vez en 1935. Lo que es notable es que funciona incluso si las partículas están muy separadas porque son de mecánica cuántica. ?¿enredado? y podemos sentirnos a distancia. Esto también es lo que le permite a Alice transmitir su estado cuántico a Bob en la teletransportación cuántica.

"Para la dirección cuántica, las partículas deben estar entrelazadas entre sí de una manera muy particular", explica Fadel. "Estábamos interesados en saber si esto podría utilizarse para realizar mejores mediciones". El procedimiento de medición que propone consiste en que Alice realice una medición en su partícula y transmita el resultado a Bob.

Gracias a la dirección cuántica, Bob puede ajustar su aparato de medición de modo que el error de medición en su partícula sea menor de lo que hubiera sido sin la información de Alice. De esta forma, Bob puede medir, por ejemplo, campos magnéticos o eléctricos que actúan sobre sus partículas con gran precisión.

Estudio sistemático de mediciones mejoradas en la dirección

El estudio de Fadel y sus colegas ahora permite estudiar y demostrar sistemáticamente la utilidad de la dirección cuántica para aplicaciones metrológicas. “La idea surgió de un experimento que ya hicimos en 2018 en el laboratorio del profesor Philipp Treutlein en la Universidad de Basilea”, dice Fadel.

“En ese experimento, pudimos medir la dirección cuántica por primera vez entre dos nubes que contienen cientos de átomos fríos cada una. Después de eso, nos preguntamos si sería posible hacer algo útil con eso ". En su trabajo, Fadel ha creado ahora una base matemática sólida para realizar aplicaciones de medición de la vida real que utilizan la dirección cuántica como recurso.

“En unos pocos casos simples, ya sabíamos que había una conexión entre la paradoja EPR y las mediciones de precisión”, dice Treutlein. "Pero ahora tenemos un marco teórico general, a partir del cual también podemos desarrollar nuevas estrategias para la metrología cuántica". Los investigadores ya están trabajando para demostrar las ideas de Fadel de forma experimental. En el futuro, esto podría resultar en nuevos dispositivos de medición mejorados cuánticamente.

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