Generant estats correlacionats de Bell de molts cossos en xarxes òptiques

Les correlacions quàntiques són un aspecte fonamental de la mecànica quàntica. Són les correlacions en els resultats dels mesuraments realitzats en dues o més partícules d'un sistema quàntic, que poden exhibir comportaments estranys i contraintuïtius, no presentis en els sistemes clàssics.

El fenomen de l'entrellaçament és un exemple clar de correlacions quàntiques. L'entrellaçament descriu la correlació entre dues o més partícules, una propietat que la física clàssica no pot explicar. Per exemple, si dues partícules estan entrellaçades, el resultat de mesurar l'estat d'una partícula pot usar-se per a predir l'estat de l'altra, fins i tot si les partícules estan separades per grans distàncies. Les correlacions de campana són un altre exemple, i es refereixen a les correlacions entre els resultats dels mesuraments duts a terme en dues o més partícules, que no poden explicar-se amb cap teoria local de variables ocultes. Aquestes correlacions s'utilitzen sovint per a demostrar la naturalesa no clàssica de la mecànica quàntica i les limitacions de les teories clàssiques.

Les correlacions quàntiques són un element clau en el desenvolupament de les tecnologies quàntiques, que aprofiten les propietats úniques dels sistemes quàntics per a fer tasques que no són possibles amb les tecnologies clàssiques, com per exemple el teletransport quàntic, la criptografia quàntica i la computació quàntica. Hi ha, no obstant això, algunes preguntes obertes en la ciència de la informació quàntica, com per exemple la generació d'estats correlacionats de Bell de molts cossos, especialment els implementats durant el procediment del protocol anomenat One-Axis Twisting (OAT).

En un estudi internacional publicat a la revista Physical Review Letters, els investigadors de l'ICFO el Dr. Marcin Płodzień - també membre de NAWA Bekker 2020 - i el Prof. ICREA Maciej Lewenstein, en col·laboració amb el Prof. Jan Chwedeńczuk de la Universitat de Varsòvia i la Prof. Emília Witkowska de l'Institut de Física de l'Acadèmia de Ciències de Polònia, han demostrat que els estats de molts cossos quàntics correlacionats massivament podrien generar-se a través de bosons ultres freds, en experiments de xarxes òptiques, utilitzant el protocol de torsió d'un eix (OAT), conegut per generar estats d'espín comprimit.

Estats d'espín comprimits

Mentre que l'entrellaçament mostra que correlacionades poden estar les partícules, la compressió d'espín és un fenomen que ocorre en un sistema de partícules amb un estat quàntic compartit, com un grup d'àtoms o ions. Es tracta de disminuir al màxim la incertesa en la mesura d'una de les variables observables, o "espín", a costa d'augmentar la incertesa en la mesura de les altres variables involucrades.

Un dels mètodes més coneguts per a generar estats entrellaçats comprimits és el protocol de torsió d'un eix (OAT per les sigles en anglès). Es pot implementar utilitzant diversos sistemes ultres freds que interactuen a través de col·lisions o interaccionis àtom-llum. Fins ara, s'entenia que crea estats entrellaçats de molts cossos i correlacions de Bell de dos cossos.

Però en el seu treball, els investigadors han demostrat que la torsió d'un eix també és un recurs viable per a poderoses correlacions de Bell de molts cossos. A l'article, l'equip presenta un estudi analític sistemàtic de la creació d'estats correlacionats amb Bell de molts cossos, durant la dinàmica de torsió d'un eix en sistemes bosònics de dos components. També proporcionen el moment crític en el qual sorgeixen aquestes correlacions de Bell de molts cossos, juntament amb una fórmula simple però poderosa per a caracteritzar la profunditat de les correlacions de Bell i l'entrellaçament. Aquestes troballes s'apliquen després per a classificar la generació de correlacions de Bell de molts cossos en sistemes de bosons de dos components carregats en una xarxa òptica unidimensional.

Els resultats obtinguts en aquest estudi mostren que aquestes correlacions es poden crear amb la tecnologia actual. Això és molt important des del punt de vista de les possibles aplicacions, ja que se sap que les correlacions de Bell augmenten la precisió dels sensors quàntics o milloren la seguretat dels protocols de criptografia quàntica. Els aspectes fonamentals de la creació d'aquests estats no-clàssics de molts cossos són rellevants, especialment sobre en el context del recent premi Nobel, que va ser atorgat pels estudis pioners de tals fenòmens.