El reloj de Compton: un reloj basado en la masa de una sola partícula

Dibujo20130110 Measured frequency showing action of feedback loop

Para construir un reloj capaz de medir el tiempo en los primeros instantes tras la gran explosión (big bang) basta con utilizar una única partícula que tenga masa, ya que la mecánica cuántica le asocia una onda con una frecuencia bien definida. Una partícula con una masa m tiene asociada una frecuencia de Compton ωmc2ħ, donde c es la velocidad de la luz y ħ es la constante de Planck. La frecuencia ω0 puede ser utilizada para construir un reloj de alta precisión, si se conoce con alta precisión la masa de dicha partícula. Y viceversa, podemos medir con alta precisión la masa de la partícula utilizando un reloj basado en dicha frecuencia. Lo más curioso es que también podemos medir la masa de un cuerpo macroscópico si conocemos su número de partículas (como en una esfera de Avogadro).

Se publica en Science una medida de la masa de un partícula con un error relativo de 4 × 10−9 (4 ppb) utilizando un interferómetro atómico. Para un átomo de cesio-133 la frecuencia de Compton medida es de ω0/2π = (2 993 486 252 ± 12) × 1016 Hz, con un error respecto a la predicción teórica de -5.2 ± 4.0 ppb. La precisión obtenida es modesta (los mejores relojes atómicos actuales son dos órdenes de magnitud más precisos), pero el sistema puede ser utilizado a la inversa, para medir la masa gracias a la frecuencia de Compton. El nuevo método permite medir la masa de un átomo relativa a la masa del cesio, por lo que los autores proponen que la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) podría considerar el nuevo método para definir el kilogramo patrón en el sistema internacional de unidades (SI).

El método además permite medir masas macroscópicas utilizando esferas de Avogadro, cristales de silicio de altísima calidad que contienen un número de átomos conocido Nat = 8V/a3, donde 8 es el número de átomos en la unidad de la red cristalina, V es el volumen de la esfera y a es la distancia entre átomos en la celda unidad. La frecuencia de Compton de una esfera de Avogadro es ωM = Nat ωCs m(Si)/m(133Cs), en función de la frecuencia de Compton para el átomo de cesio ωCs. La masa total es entonces M = ωMħ/c2. Los métodos actuales alcanzan una precisión de unas 30 ppb, que el nuevo método podría bajar a solo 4 ppb.

El artículo técnico es Shau-Yu Lan et al., “A Clock Directly Linking Time to a Particle’s Mass,” Science Express, AOP January 10, 2013 [DOI]. La noticia en otras fuentes: Robert Sanders, “A rock is a clock: Physicists use matter to measure time,” Phys.Org, Jan 10, 2013; Andrew Grant, “New clock revolves around an atom’s mass. Study claims that time can be gauged by a particle’s heft,” ScienceNews.Org, Jan 10, 2013.

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Un chip de nanotubos de carbono, detector ultrarrápido de átomos y medidor de presiones ultrabajas

Dibujo20091111_Scanning_electron_microscope_image_of_nanotube_chip_for_atom_detection

Manipular nanotubos de carbono uno a uno es muy difícil. Requiere las manos de un “cirujano,” un complejo equipo experimental y años de experiencia. Por ello los chips de nanotubos de carbono utilizan marañas de nanotubos. Parecen pocos útiles en su estado actual, pero no es así. La punta de un nanotubo permite alcanzar campos electroestáticos de hasta 9 gigaV/m, capaces de ionizar átomos de rubidio individuales en su estado fundamental. Se ha fabricado un chip ultrarrápido para la detección de estos átomos que utiliza esta propiedad. No es necesario un único nanotubo, una maraña como la mostrada en la foto de arriba es suficiente. El nuevo chip de nanotubos permite detectar átomos de rubidio individuales a escalas de décimas de nanosegundos. El nuevo detector permitirá medir presiones ultrabajas en gases ultrarralos. Un detector ultrarrápido que nos muestra que el futuro a corto plazo de los chips de nanotubos de carbono se encuentra entre la nanoelectrónica y la microelectrónica. Es curioso pero todo ello me recuerda a la punta de un microscopio de efecto túnel, macroscópica, pero que permite ver una superficie a escala atómica. El artículo técnico es B. Grüner, M. Jag, A. Stibor, G. Visanescu, M. Häffner, D. Kern, A. Günther, J. Fortágh, “Integrated Atom Detector Based on Field Ionization near Carbon Nanotubes,” ArXiv, 6 Nov 2009.

Lo que un fotón ve, un fotón cuántico lo ve mejor (u otra “parida” de Seth Lloyd)

Seth Lloyd del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, es uno de los grandes expertos mundiales en computación cuántica y de los pocos que ve la computación cuántica adiabática con buenos ojos. ¿Y qué hace un investigador cuya tesis doctoral iba de agujeros negros en un Departamento de Ingeniería Mecánica (en España sería una Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales)? Bueno, “de las cosas del querer”… no hablaré.

Un fotón (351 nm) incide sobre un cristal óptico no lineal que genera dos fotones entrelazados (702 nm) en polarización (vertical y horizontal).

Hoy en día, Seth Lloyd es un genio “bien” conocido y puede publicar lo que quiera y donde quiera. Acaba de publicar “Enhanced Sensitivity of Photodetection via Quantum Illumination,” Science, Vol. 321. no. 5895, pp. 1463-1465, 12 September 2008 . Para ver, necesitamos iluminar los objetos con luz, ¿qué pasa si la luz es cuántica? Mejor dicho, si la luz está entrelazada mecánico-cuánticamente. El estudio de Lloyd muestra que esta luz “ve más” que la luz no entrelazada. ¿En qué sentido? Si los objetos que queremos ver están sujetos a un entorno altamente ruidoso, los fotones entrelazados permiten incrementar la relación señal-ruido en un factor exponencial (una potencia de 2). Ver con pocos fotones, si están entrelazados, permite ver exponencialmente mejor. Lo sorprendente: esta “visión mejorada” se mantiene incluso cuando los fotones reflejados son altamente ruidosos (reflejando el ruido del objeto “visto”).

El artículo es “fácil” de leer (sobre todo si conoces algo de la matemática de la Mecánica Cuántica y si omites la información suplementaria, técnicamente más “dura”) y define un nuevo campo del conocimiento humano: la iluminación cuántica (Quantum illumination) que tendrá gran número de aplicaciones sobre todo en metrología. Por supuesto, el artículo es teórico y hay gran número de cuestiones prácticas que habrá que resolver antes de ver aplicaciones prácticas. Pero esto es lo que busca Lloyd, que le citen mucho en los próximos años y citarle, le citarán.

De hecho, uno de los expertos españoles en óptica, Juan Pérez Torres, del Departamento de Teoria de la Señal y Comunicaciones de la Universidad Politécnica de Cataluña en Barcelona, afirma, según Adrian Cho, “Quantum Flashlight Pierces the Darkness With a Few Percent as Many Photons,” Science, Vol. 321. no. 5895, pp. 1433-1443, 12 September 2008 , que la verificación experimental del resultado del artículo es “asequible en un plazo de un año”.

Supongamos que tenemos un haz de fotones, emitidos uno a uno, con frecuencias correspondientes a cierto número de colores (frecuencias). Pongamos que sean 30. Si estos fotones están entrelazados (se generan para que lo estén), el estado del haz es tal que cada fotón individual pierde su individualidad y “no sabe” qué color tiene. Es como si cada fotón, “simultáneamente” tuviera los 30 colores posibles. Por supuesto, cuando estos fotones interactúan con un objeto se produce una “medida cuántica” de su estado (colapsa el estado) y adquieren, aleatoriamente, una frecuencia única entre las 30 posibles.

¿Cómo aprovechar el entrelazamiento para ver más? Podemos entrelazar los fotones de modo que, aunque cada fotón del haz no sepa qué color tiene, la “suma de todos” tenga una propiedad determinada (por ejemplo, que cuando todos sean medidos la suma de sus frecuencias resultantes coincida con el doble de la frecuencia media de todos lo colores posibles). Utilizaremos dicha propiedad para “ver” el objeto. Supongamos que un fotón concreto incide en el objeto (sumergido en un ambiente muy ruidoso) y es medido, reflejándose con un color determinado. ¿Qué pasa si comparamos su color conocido, con el color desconocido de cualquier otro fotón? Hay una probabilidad de 1 sobre 30 de que coincidan. Esta es la clave para que el ruido “no sea visible”: el ruido del objeto cambiará el color del fotón, pero si lo hace en uno de los 29/30 colores que nos restan, el ruido es incapaz de alterar el resultado de la comparación. La probabilidad de que el ruido nos afecte a la hora de ver los colores del objeto es de 1/30 (y se podría hacer muy pequeña si utilizáramos fotones con muchos millones de frecuencias o colores, según propone Lloyd).

Lo sorprendente del trabajo de Lloyd es que, aunque el entrelazamiento se pierde tras la medida de los fotones (su reflejo en el objeto), la visión mejorada no se ve afectada por este efecto, basta con que los fotones estuvieran inicialmente entrelazados. Dice Torres que “esto es sorprendente, aunque el entrelazamiento es destruido por la medida, persisten ciertas correlaciones [cuánticas no locales] que garantizan una visión mejorada”.

Las propiedades del “entrelazamiento cuántico” son siempre sorprendentes (y están en la base de las ventajas de la computación cuántica respecto a la clásica). El artículo de Lloyd nos ofrece nuevas “visiones” sobre nuestro “paradójico” mundo cuántico (paradójico para los que vivimos un día a día clásico).