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CIENCIA. Testigo clave ayuda a los científicos a detectar entrelazamientos cuánticos "espeluznantes" en materiales sólidos

 

Los "spines" de un material, representados como esferas rojas, son sondeados por neutrones dispersos. La aplicación de un testigo de entrelazamiento, como el cálculo de QFI que se muestra en la imagen, hace que los neutrones formen una especie de indicador cuántico. Este indicador permite a los investigadores distinguir entre fluctuaciones de espín clásicas y cuánticas. Fuente: Nathan Armistead / ORNL, Departamento de Energía de EE.UU.

El entrelazamiento cuántico ocurre cuando dos partículas parecen comunicarse sin una conexión física, un fenómeno que Albert Einstein llamó "acción espeluznante a distancia". 

Casi 90 años después, un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE.UU. ha demostrado la viabilidad de un “testigo de entrelazamiento cuántico” capaz de probar la presencia de entrelazamiento entre partículas magnéticas, o espines, en un material cuántico.

El equipo, que incluye investigadores de ORNL, Helmholtz-Zentrum Berlin, la Universidad Técnica de Berlín, el Institut Laue-Langevin, la Universidad de Oxford y la Universidad Adam Mickiewicz, probó tres testigos de entrelazamientos utilizando una combinación de experimentos de dispersión de neutrones y simulaciones computacionales. Los testigos de entrelazamiento son técnicas que actúan como herramientas de análisis de datos para determinar qué espines cruzan el umbral entre los reinos clásico y cuántico.

Presentado por primera vez por John Stewart Bell en la década de 1960, los testigos del entrelazamiento confirmaron que la teoría cuántica cuestionada por otros científicos había sido correcta. La técnica de Bell se basó en la detección de un par de partículas a la vez, pero este enfoque no es útil para estudiar materiales sólidos compuestos por billones y billones de partículas. Al apuntar y detectar grandes colecciones de spines entrelazados utilizando nuevos testigos de entrelazamiento, el equipo extendió este concepto para caracterizar materiales sólidos y estudiar el comportamiento exótico en superconductores e imanes cuánticos.

Para asegurarse de que se pudiera confiar en los testigos, el equipo aplicó los tres a un material que sabían que estaba enredado debido a un estudio previo de dinámica de giroDos de los testigos, que se basan en el enfoque de Bell, indicaron adecuadamente la presencia de entrelazamiento en esta cadena de espín unidimensional, una línea recta de espines adyacentes que se comunican con sus vecinos sin tener en cuenta otras partículas, pero el tercero, que se basa en teoría de la información cuántica, le fue excepcionalmente bien en la misma tarea.

"La información de Fisher cuántica, o QFI, mostró una estrecha superposición entre la teoría y el experimento, lo que la convierte en una forma sólida y confiable de cuantificar el entrelazamiento", afirmaron los científicos en artículo publicado en Physical Review B .

Debido a que las fluctuaciones en un material que parece ser de naturaleza cuántica pueden ser causadas por un movimiento térmico aleatorio, que solo desaparece en el cero absoluto en la escala de temperatura, la mayoría de los métodos modernos no pueden distinguir entre estas falsas alarmas y la actividad cuántica real. 

El equipo no solo confirmó la predicción teórica de que el entrelazamiento aumenta a medida que disminuye la temperatura, sino que también diferencia con éxito entre la actividad clásica y cuántica como parte de la demostración de QFI más completa desde que se propuso la técnica en 2016.

Al parecer, los materiales más interesantes están llenos de entrelazamiento cuántico, pero esos son precisamente los más difíciles de calcular.

Anteriormente, el desafío de identificar rápidamente materiales cuánticos presentaba un obstáculo importante para la misión del centro, que implica explotar el entrelazamiento para desarrollar dispositivos y sensores novedosos mientras se avanza en el campo de la ciencia de la información cuántica. La racionalización de este proceso con QFI permite a los investigadores concentrarse en aprovechar el poder de sustancias como fases raras de la materia llamadas líquidos de espín cuántico y materiales que no resisten la electricidad llamados superconductores para el almacenamiento de datos y aplicaciones informáticas.

El poder de QFI proviene de su conexión con la metrología cuántica, en la que los científicos entrelazan múltiples cuasipartículas para reducir la incertidumbre y obtener mediciones extremadamente precisas. El testigo de QFI invierte este enfoque al utilizar la precisión de una medición existente para determinar el número mínimo de partículas con las que se entrelaza en cada giro. Esta es una forma poderosa de revelar interacciones cuánticas, lo que significa que QFI puede ser aplicado a cualquier material magnético cuántico.

Habiendo establecido que QFI podía categorizar correctamente los materiales, el equipo probó una segunda cadena de espín unidimensional, un material más complejo que presenta anisotropía, que es una propiedad que hace que los espines se encuentren en un plano en lugar de girar al azar. Los investigadores aplicaron un campo magnético a la cadena de espín y observaron una transición de entrelazamiento, en la que la cantidad de entrelazamiento cayó a cero antes de reaparecer. Publicaron este hallazgo en Physical Review Letters .

Para lograr estos resultados, los investigadores estudiaron ambas cadenas de espín utilizando la dispersión de neutrones y luego analizaron los datos heredados de experimentos realizados hace décadas en la fuente de neutrones ISIS en Inglaterra y el Institut Laue-Langevin en Francia junto con nuevos datos del helicóptero de amplio rango angular. Espectrómetro ubicado en Spallation Neutron Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE operada por ORNL. También ejecutaron simulaciones complementarias para validar los resultados frente a datos teóricos idealizados.

Los neutrones descritos como "maravillosamente simples", son una herramienta ideal para probar las propiedades de un material debido a su carga neutra y su naturaleza no destructiva.

Al estudiar la distribución de neutrones que se dispersan en una muestra, que transfiere energía, los científicos pudieron usar neutrones como un indicador para medir el entrelazamiento cuántico sin depender de teorías y sin la necesidad de computadoras cuánticas masivas que aún no existen.

Según el equipo, esta combinación de recursos experimentales y computacionales avanzados proporcionó respuestas sobre la naturaleza del entrelazamiento cuántico inicialmente solicitado por los fundadores de la mecánica cuántica. Se espera que los cálculos de QFI probablemente se conviertan en parte del procedimiento estándar para los experimentos de dispersión de neutrones que eventualmente podrían caracterizar incluso los materiales cuánticos más misteriosos.

Fuentes:

“Witnessing entanglement in quantum magnets using neutron scattering” by A. Scheie, Pontus Laurell, A. M. Samarakoon, B. Lake, S. E. Nagler, G. E. Granroth, S. Okamoto, G. Alvarez and D. A. Tennant, 28 June 2021, Physical Review BDOI: 10.1103/PhysRevB.103.224434

“Quantifying and Controlling Entanglement in the Quantum Magnet Cs2CoCl4” by Pontus Laurell, Allen Scheie, Chiron J. Mukherjee, Michael M. Koza, Mechtild Enderle, Zbigniew Tylczynski, Satoshi Okamoto, Radu Coldea, D. Alan Tennant, and Gonzalo Alvarez, 13 July 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.037201

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