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Enredando átomos?

Resumen: La teoría actual indica que si en un sistema cuántico, la ecuación de SCHRÖDINGER tiene mas que una solución, corresponde la solución general, a la combinación lineal de las funciones de onda, hecho conocido como principio de superposición, que resulta de la linealidad de la ecuación de onda...
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Autor: Cristián Antiba

Teoría:
El entrelazamiento, que Albert Einstein llamó "acción fantasma a distancia," ocurre cuando las características cuánticas de dos o más partículas se correlacionan.

La teoría actual indica que si en un sistema cuántico, la ecuación de SCHRÖDINGER tiene mas que una solución, corresponde la solución general, a la combinación lineal de las funciones de onda, hecho conocido como principio de superposición, que resulta de la linealidad de la ecuación de onda... Consideramos por ejemplo, que las dos funciones, describen dos diferentes sitios, donde una partícula puede encontrarse, entonces corresponde la combinación lineal de las dos funciones a una única partícula, que puede encontrarse en los dos lugares al mismo tiempo. Al aplicar el principio de superposición a sistemas con dos partículas, se llega a un estado ’enredado’, una correlación no-local, superposición de estados, no son independientes uno del otro, sino que interactúan y pueden modificar las amplitudes de probabilidad de sus estados.

Por ej.: dos fotones enredados, donde el fotón 1 se encuentra en el estado de polarización horizontal, y el fotón 2 en el estado de polarización vertical, o al revés. La polarización de un solo fotón de tal pareja, queda, según la mecánica cuántica, sin definición hasta que se mide su estado. Una medición a uno de estos fotones, podría resultar tanto en una polarización horizontal como vertical. Para el otro fotón, no obstante, resulta tal medición en una instantánea definición de su estado de polarización sin que importe la distancia entre los dos: según la función de onda será este siempre ortogonal al resultado de la medición del primer fotón (ver figura)

Cono de dos fotones enredados
En el fenómeno de estado “enredado” (verschränkung, entanglement), la lectura de un resultado, significa un proceso de medición, que transforma cualquier superposición de estados en un solo estado final.

Un alto número de moléculas incorporadas en la operación, significa mayor protección del sistema, a un fenómeno conocido como de-coherencia (colapso de la superposición de estados cuánticos enredados en un solo estado definido, imposibilitando una medición no destructiva de estados.

Sistema de 7 pivoteantes, formado por la molécula C11H5F5O2Fe 

Aquí se observa la interacción entre los núcleos de una misma molécula.

Encontrar moléculas grandes con suficientes átomos, es decir suficientes pivoteantes, no representa un problema.

Los problemas surgen del tamaño de la molécula, en la medida y del hecho de que las interacciones entre los espines más distantes finalmente llegan a ser demasiado débiles.

El primer paso, para trabajar con dichas moléculas, comprende una serie de pulsos de radiación electromagnética en el rango de radiofrecuencias, para orientar los espines de sus núcleos atómicos, correctamente. Sigue en el segundo paso una modificación secuencial de los pivoteantes, es decir, se llevan los espines de los pivoteantes, a sentidos de giro elegidos, a través de ciertas manipulaciones NMR(resonancia magnética nuclear). Finalmente se detectan las resonancias del sistema en su estado final. En esencia, se maneja todo con una serie de pulsos de radio-frecuencia.

La velocidad, o bien el tiempo efectivo de cada ciclo, es determinada por la velocidad, con que los espines cambian su orientación. Estos procesos se dan en el rango de milisegundos.

Óptica cuántica y trampa de iónes
En base a elementos de óptica cuántica con átomos sencillos y fotones, además de técnicas de enfriamiento por láser, se puede preparar el estado base de átomos encerrados en trampas.

Pulsos de láser permiten entonces la manipulación de los estados internos de estos átomos fríos. Con métodos de electrodinámica de cavidades se logra una interacción coherente de ciertos fotones con átomos. Se logra la controlada generación de modos oscilatorios colectivos en el conjunto de los átomos enredados, manejando los modos fonónicos como datos.

Particular interés ha encontrado la interacción de luz de láser con cadenas de iónes enfriados.

Se presenta pues, una superposición de dos estados energéticos estables, seleccionados de un cierto ión, que podrían ser representados por los estados básicos ZEEMAN de un ión.

Los iónes, tienen que interactuar en modo controlado, (por ejemplo, interacción coulombiana). Las relaciones de los iónes corresponde a modos discretos. El estado de oscilación del conjunto de iónes puede ser preparado por el enfriamiento láser, que a su vez permite el ’enredado’ entre los iónes dentro de la trampa.

Los 2 estados internos de cada ión, pueden ser manipulados con un haz de Láser. Modos de vibración fonónicos en la cadena, acoplan los iones.

La detección de los estados de los iones al final de una operación de medición-cálculo, se realiza con el método de brincos cuánticos: la cadena de iones es irradiada con luz de energía correspondiente, provocando luz fluorescente de un ión en un estado(giro), mientras que en el otro estado(contra giro) no emite.

Experimentos:
Intro:
En mi opinión, están confundiendo interdependencia con enredo... lo de los iones de berilio, me parece un efecto demasiado local y poco tiene de superposición. La verdadera superposición entre iones, sería si sus estados dependieran de fotones enredados compartidos(de formación o absorbidos)... ahí si, a mi entender, se podrían enredar átomos y conservar ese estado, haciendo crecer los segmentos nodales entre ellos(distancias), indefinidamente, sin importar nada. Podríamos tener un átomo dentro de un circuito integrado, enredado(en sintonía) con su par modulado en una estación de televisión, y así poder ver cada canal de video, sin ninguna necesidad de radiación electromagnética transmisora.

Desarrollo:
Hace un año leí que el físico Dietrich Leibfried, había "seudo enredado" 6 iones de berilio(también 4 y 5).

Ahora, vi que "seudo enreda" cuatro, y mejora la calidad e inalterabilidad del sistema, durante la medición.

Hace 1año: se "entrelazaron" seis iones de berilio, de modo que sus núcleos giraran colectivamente a la derecha y a la izquierda al mismo tiempo(yo diría: pivotéan armoniosa y conjuntamente).

Los iones se sostienen apartados algunos micrómetros en una trampa electromágnetica.

Láseres ultravioletas se utilizan para enfriar a los iones cerca del cero absoluto, manipulándolos en tres pasos.

El tiempo del experimento toma cerca de 1 milisegundo.

Son 2½ veces más sensibles a los campos magnéticos externos que seis iones sin entrelazar.

Ahora publican: Han enredando dos pares de átomos, y miden solamente un par, mejoran el control de campos magnéticos e intensidad de los láseres.

El enredo puede ocurrir espontáneamente cuando obran recíprocamente dos átomos(cosa que podría deberse a que comparten fotones enredados absorbidos). Para la interacción inicial, los átomos tienen que estar en proximidad cercana, pero el enredo puede persistir incluso si se separan físicamente. La calidad del enredo se puede degradar por muchos factores ambientales, tales como campos magnéticos fluctuantes, así que el proceso y el transporte de partículas enredadas necesitan ser controlados firmemente. Ahora si, se puede limpiar o quitar cualesquier distorsión o "ruido" sin importar la fuente, por tener dos pares enredados, con tasas relativamente altas del éxito para un sistema de la trampa del ión.

Se utilizó láseres ultravioletas para enredar dos pares de los iónes de berilio en una trampa electromágnetica. Un proceso similar fue utilizado para enredar a cada miembro del primer par con sus contrapartes en el segundo par. Entonces el primer par de iónes fue medido, y los resultados fueron utilizados como indicación de los estados del segundo par.

Un ión tiene un "momento magnético", en iones de berilio, un giro en un sentido despide luz fluorescente cuando es iluminada por un rayo láser con cierta longitud de onda, mientras que no lo hace cuando gira en sentido contrario.

Se purificó el enredo así: Los 4 iones se hicieron girar en el sentido en que emiten(despidiendo luz fluorescente). Un pulso de láser, rota todos los iones para colocarlos en superposiciones iguales de todos los estados posibles de giro. Los rayos láser ultravioletas, colocados perpendicularmente y traslapando los iones, aplican una fuerza oscilante a los cuatro, para enredarlos en dos pares. Se templan los láseres así que la diferencia entre sus frecuencias está muy cerca de la frecuencia de una de las vibraciones naturales de los iones, un movimiento de hacer pivotar hacia adelante y hacia atrás. Los iones alcanzan una superposición de estados, mientras que también se los hacen pivotar a la izquierda y a la derecha en unísono. La superposición de diversos movimientos deja una impresión en los estados de giro que tiene el efecto de enredar pares de iones de manera controlada. Un pulso de láser deshace la rotación del paso 2. Los cuatro iones ahora se enredan en pares. Las partículas enredadas no tienen que tener necesariamente características idénticas.

Se establecieron diversas formas de enredo basadas en el espaciamiento entre los iones, el tipo de movimiento del ión apuntado, y la duración de los pulsos del láser. El proceso de purificación fue diseñado de modo de que cada par de iones enredados tenga una superposición de los estados de giro que no sean idénticos, pero que si sean como imágenes de espejo de cada uno.

El tema fue enredar cada ión del primer par con sus contrapartes en el segundo par, así que se enredan los iones 1 y 3 y se enredan los iones 2 y 4. Las características de los cuatro iones ahora se ligan. En el paso siguiente, los iones 1 y 2 son medidos iluminándolos con un pulso del láser y evaluando su fluorescencia total. Los niveles muy altos o bajos de la fluorescencia indican que los dos iones están en el mismo estado giro; un valor de alcance medio indica que están en diversos estados. Si los iones 1 y 2 tienen valores idénticos, un error ha ocurrido en alguna parte(fueron enredados de una manera que deben hacer estos resultados diferentes). Esto significa que los iones 3 y 4 no están enredados probablemente con una fidelidad muy alta. Pero, si los iones 1 y 2 tienen vueltas o valores de oposición, después los iones 3 y 4 (unmeasured) ahora se han purificado y son más factibles de ser enredados con superposiciones de imagen-espejo de los estados de giro, que antes. Los iones 3 y 4 estarían así disponibles para el uso en una computadora cuántica, o un sistema de comunicaciones.

Utilizaron los laseres para rotar los iones 3 y 4 varias magnitudes distintas, y las midieron en cada ángulo iluminándolas con un pulso del láser. La fluorescencia que resultaba de los diversos ángulos de rotación, fue comparada a los patrones sabidos producidos por pares perfectamente enredados.

Fullerenes como trampas neutrales nanoscópicas para átomos

Fullerenes representan una opción reciente. Las moléculas fullerenes son fabricadas tal, que contienen en su espacio hueco átomos de nitrógeno o fósforo. Estos complejos endohedrales, poseen electrones paramagnéticos (s2p5), que interactúan tanto entre sí (acoplamiento espín-espín) como con los espines de los núcleos atómicos (acoplamiento hiperfino). Los cambios se registran en los espines nucleares de los átomos encerrados en los fullerenes, mientras los espines de los electrones paramagnéticos intermedian la interacción entre los fullerenes vecinos. Los espines de electrones son controlados por pulsos en el rango de radiofrecuencia (resonancia de electrones paramagnética), y de los núcleos por microondas (resonancia magnética nuclear).

Complejos de fullerenes endohedrales en arreglo lineal.

Los espines son controlados por pulsos de radiofrecuencia (EPR) y de microondas (NMR)

Los p-electrones delocalizados de la molécula C60 generan una jaula tipo FARADAY alrededor del átomo encapsulado y proveen un efecto de apantallamiento para campos eléctricos externos, mientras el acoplamiento magnético entre los fullerenes vecinos queda fuerte.
La lectura del estado cuántico despues del cálculo puede realizarse a través de un micro-SQUID y tambien con un microscopio de fuerza resonante magnética.

AUTOR:
Cristián Antiba
cubicalghost@gmail.com

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