Download Document
Document related concepts
Transcript
Cuántica: coherencia y enredamiento en el Siglo XXI. Luis A. Orozco 50 aniversario del Departamento de Física del CINVESTAV Taller sobre información cuántica México, Abril 2011. www.jqi.umd.edu Algo de Historia: El descubrimiento del núcleo por Rutherford pone en problemas la estabilidad de la materia. En electrón acelerado hacia el núcleo emite radiación. Niels Bohr, un visitante en el laboratorio de Rutherford, comienza a entender el átomo del hidrógeno con el cuánto de Planck. La mecánica cuantica nace. Werner Heisemberg, quien es colaborador de Bohr, formula el principio de incertidumbre. Edwin Schrödinger encuentra que la materia sigue una ecuación de onda. Pero Einstein no estaba contento con las consecuencias Edwin Schrödinger reacciona a la propuesta de Einstein con el concepto de enredamiento Bohr responde: La estructura hiperfina del estado base del hidrógeno puede tener un singlete. ↑e ↓p − ↓e ↑p Los espines del electrón y del protón están entrelazados. Para tener materia estable explicada por la mecánica cuántica es necesario no considerar el electrón y el protón como dos entes aisladas sino como entrelazadas El diálogo fue largo y a menudo fue acompañado de experimentos imagindarios (gedanken) que la mecánica cuántica siempre resolvía adecuadamente. Bell tomó el enredamiento en serio, 30 años después the la publicación original preguntó sitenía algúna consecuencia medible. Sorprendentemente...SI! Hay correlaciones mas fuertes que cualquier predicción clásica pero no suceden cuando se miden simplemente en las direcciones de consevación de momento o de momento angular. Se Desigualdad de Bell. J.S. Bell, Physics 1 195 (1964). necesitan bases diferentes. De los experimentos pensados de Bohr a los saltos cuánticos y sus consecuencias. La física experimental logra trabajar con entes cuánticas individuales 70s y 80s. El electrón atrapado (Dehmelt y Wineland) El ión atrapado (Dehmelt y Toshek) Saltos de electones entre un nivel y otro en un ion (Dehmelt, Toshek, Wineland) …. Formulación de la mecánica cuántica en base a saltos cuánticos (Zoller, Dalibard, Carmichael) Electrodinámica cuántica de cavidades, un ejemplo David Norris Howard Carmichael Pablo Barberis Blostein Andres Cimmarusti Joint Quantum Institute, UMD-NIST David G. Norris Andrés Cimmarusti Joshua Crawford Luis A. Orozco Universidad Nacional Autónoma de México Pablo Barberis Blostein, Dept. of Physics, University of Auckland Howard J. Carmichael Apoyo de NSF, CONCACYT y el Mardsen Fund of RSNZ Sistéma para estudiar electrodinámica cuántica de cavidades Emisión espontánea 85Rb Excitación contínua (780 nm) γ / (2 π) = 6.0 x 106 s-1 κ / (2π) = 3.2 x 106 s-1 g / (2π) = 1.5 MHz Acoplamiento dipolar Decaimiento de la cavidad ATOMOS + MODO DE LA CAVIDAD Acoplamiento dipolar entre el átomo y la cavidad Campo de un fotón en una cavidad con Veff: d ⋅ Ev g= Ev = ω 2ε 0Veff Dos formas de observar los átomos en una cavidad con dos modos (polarizaciones) Absorción (modo excitado) Noten el ruido de disparo (shot noise) Fluorescencia (modo sin excitar) Detección de un átomo al pasar por la cavidad B PBS BS APD A (start) APD B (stop) B Detección de emisión espontánea Detección por rotación de Faraday (forward scattering) B Cambio del eje de cuantización σ- σ + Serie de tiempo de detecciones en el modo no excitado. Detección con rotación de Faraday y con emisión espontánea Coherencia Posibilidad de interferir Correlación de Campo Campo Interferómetro de Michelson Spectro de la fuente Base de la espectroscopía con transformada de Fourier Pero hay grados más altos de coherencia Funciones de correlación AUTO y CROS Un modo y un átomo a baja excitación: ΨSS = 0 g + A1g 1g + A0 e 0e + A2 g 2 g + A1e 1e Detectando un foton en transmisión, la función de onda condicionada es: Ψc = 0g + A1g (t) 1g + A0e (t) 0e La excitación oscila entre el átomo y la cavidad, pero solo detectamos por la cavidad |1g>. € Correlaciones Intensidad Campo H(t) = <I(t)E(t)> = <E(t)>condicionada Un modo y un átomo a baja excitación: ΨSS = 0 g + A1g 1g + A0 e 0e + A2 g 2 g + A1e 1e Para asegurarse que hay enredamiento, la función de onda no debe ser separable. A1e ≠A0eA1g |A1e|2 tasa de coincidencias entre la fluorescencia y la transmisión |A0e|2 tasa de fluorescencia, |A1g|2 tasa de transmisión La correlación cruzada, j(2)(τ), mide correlaciones entre la luz transmitida y la fluorescencia. 〈σ + (0)a (τ )a (τ )σ − (0)〉 〈 a (τ )a (τ )〉 c j (τ ) = = + 〈 a a〉〈σ +σ − 〉 〈σ +σ − 〉 ( 2) + + ( 2) j (0) = A1e 2 A1g A0 e 2 Una medicion de j(2)(0) diferente de uno es un testigo de enredamiento. Es necesario medir coherencia y correlaciones en el sistema real Visibilidad de la interferencia con diferente excitación Coherencia y Correlaciones con saltos cuánticos Sistema de detección Excitar con polarización vertical (π) Detecar con polarización horizontal Primer Click Crea la superposición Detecta la interferencia Segundo Click Medición condicional y medición independiente Tres procesos generan oscilaciones: Un solo átomo: batido de dos estados base (Zeeman) Dos átomos cada uno emitiendo un fotón el efecto de Handbury Brown y Twiss Batido de la luz de un átomo con la luz de excitación Comparación cuantitativa Estudios sistemáticos La frecuencia de batido aumenta con el incremento de la excitación Cálculo con diferentes niveles de excitación Small extra phase at each quantum jump. FFT de tres funciones de correlación Rojo: datos experimentales con 5 Gauss, azul: simulación, línea continua:ajuste con dos parámetros, línea: sin saturación Rojo: datos experimentales con 5 Gauss, azul: simulación, línea continua:ajuste con dos parámetros, línea: sin saturación Observación de batidos cuánticos del estado base con coherencia larga. Emisión espontanea crea la superposición gracias a la coherencia atómica, pero demasiada la puede destruir. Aún sin observar los saltos cuánticos su presencia crea un corrimiento y una decoherencia. Muchas gracias y Felicidades