Martes, 27 agosto 2013
Física

Logran usar un reloj atómico como un simulador cuántico

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Se ha conseguido por vez primera utilizar un reloj atómico como un simulador cuántico, imitando el comportamiento de un sistema cuántico complejo y muy distinto.

Así pues, los relojes atómicos se unen ahora a una lista cada vez mayor de sistemas físicos que pueden utilizarse para modelar, y quizás algún día explicar, el comportamiento mecánico cuántico de materiales exóticos tales como los superconductores de alta temperatura, los cuales conducen la electricidad sin resistencia pese a no estar tan fríos como los superconductores tradicionales. Además, incluso los sistemas cuánticos más sencillos resultan demasiado complicados para simularlos en los ordenadores clásicos, de ahí el interés por los simuladores cuánticos.

El experimento, realizado por el equipo de Jun Ye del JILA (un instituto conjunto del Instituto Nacional estadounidense de Estándares y Tecnología y la Universidad de Colorado en Boulder), se hizo con un reloj atómico consistente en unos 2.000 átomos neutros de estroncio atrapados en un espacio delimitado por la intersección entre haces láser.

Los átomos del reloj de estroncio están organizados de un modo comparable a un centenar de discos apilados uno sobre otro. Cada "disco" contiene una veintena de átomos.

Normalmente los átomos reaccionan de forma individual a los pulsos de láser rojo, cambiando entre dos niveles de energía. Pero investigaciones previas habían revelado que los átomos también pueden interactuar entre sí, primero en pares y finalmente todos juntos. Hasta ahora, era común entre los físicos procurar eliminar estas interacciones, ya que no son deseables en los relojes atómicos que deban cumplir su función como tales. Sin embargo, estas interacciones son una característica vital para lograr un simulador cuántico.

Algunos de los rasgos del sistema sugieren que bajo las circunstancias adecuadas los átomos experimentan el entrelazamiento cuántico, otro llamativo efecto cuántico, mediante el cual se enlazan las propiedades de partículas separadas. Sin embargo, los investigadores del JILA aún no han realizado un experimento concluyente que demuestre el entrelazamiento.

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Recreación artística de interacciones entre átomos en el reloj atómico de estroncio del JILA durante un experimento de simulación cuántica. Los átomos parecen interactuar entre ellos, lo que se indica por las conexiones, y esto genera correlaciones entre los espines de los átomos, que se indican mediante flechas, según los patrones que los científicos del JILA encontraron en mediciones de espines. (Imagen: Grupo de Ye y Brad Baxley, JILA)

La física teórica Ana María Rey, del JILA, ayudó a explicar lo observado por el equipo de Ye. Para una pequeña cantidad de partículas, unos 30 átomos, Rey calculó que las interacciones de los átomos del reloj obedecen a fórmulas matemáticas similares a las que describen el comportamiento de los electrones en materiales magnéticos. Pero si se incluyen más átomos, los cálculos clásicos dejan de concordar con los resultados del experimento.

En el futuro, el equipo del JILA espera realizar simulaciones más complejas y seguir avanzando en el desarrollo de una teoría que explique los hallazgos.

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