Traducido por Alejandro Ramos de la Peña
Un padre empujando a su hijo pequeño en un columpio se da cuenta de un procedimiento complejo de retroalimentación: el columpio acercándose envía una señal que es procesada en el cerebro y ejecutada por los brazos empujando con la fuerza adecuada y en el momento oportuno. La lógica de rápida retroalimentación fue desarrollada por un equipo de científicos colaboradores del profesor Gerhard Rempe, Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y la cabeza de la División de Dinámica Cuántica. Esta lógica funciona de forma bastante similar: el sistema reacciona, en tiempo real, sobre el movimiento de un solo átomo en órbita en una cavidad óptica. Los fotones individuales emitidos por el átomo, los cuales transportan información acerca de la posición atómica, disparan un mecanismo de retroalimentación que impulsa al átomo en una dirección determinada por el investigador. Esto le permite controlar el movimiento del átomo. Además, se incrementa el tiempo que el átomo pasa en la cavidad por un factor de cuatro, lo cual es – aún más importante – un paso hacia la exploración de la trayectoria cuántica de un solo átomo a un nivel permitido por la relación de incertidumbre de posición-momentum de Heisenberg.
El experimento comienza enfriando una nube diluida de átomos neutros de rubidio con luz láser a una temperatura de unos cuantos microkelvin. La nube fría es lanzada entonces – como una fuente – hacia un resonador óptico de alta finura, compuesto por dos espejos altamente reflectante separados por una décima de milímetro. Al llegar al resonador, un solo átomo es capturado al encender súbitamente unas pinzas ópticas en la forma de una onda de luz láser reflejada adelante y atrás entre los espejos. Como el átomo atrapado es sensible a una variedad de diferentes fuerzas, su movimiento consiste en una oscilación alrededor del eje del resonador, superpuesto por un movimiento fuertemente errático en todas direcciones. Esto hace que la trayectoria del átomo sea impredecible en una escala de tiempo, que no supera el período de oscilación, por lo general menos de una milésima de segundo.
Un segundo láser es usado como señal de entrada del ciclo de retroalimentación. Examina la posición del átomo: si no hay un átomo en el resonador, la luz de este láser es totalmente transmitida a través de ambos espejos. Si un átomo es colocado en el centro del resonador, la luz se bloquea y el flujo de fotones cae a tasas tan bajas como 0,03 fotones por millonésima de segundo. Cuando el átomo se aleja del eje del resonador, tratando de salir del resonador, más luz es transmitida. La posición del átomo es codificada de acuerdo a la intensidad de la luz transmitida. Para leer esta información, los fotones que dejan el resonador son registrados por un detector sensible por dos intervalos de tiempo consecutivos de igual duración, el denominado tiempo de exposición.
En el caso que sean detectados más fotones en el segundo intervalo que en el primer intervalo de tiempo, se concluye que el átomo está tratando de escapar del resonador. Para evitar esto, la intensidad de la luz de las pinzas ópticas se intensifica, empujando al átomo de vuelta al eje del resonador. En el caso de que menos fotones sean detectados en el segundo intervalo de tiempo, se supone que el átomo se aproxima al eje de la cavidad y la potencia de las pinzas ópticas se reduce. Esto reduce la energía del átomo y conduce a un enfriamiento eficiente del átomo. El átomo también puede ser calentado invirtiendo la lógica de retroalimentación. Esto expulsa rápidamente el átomo fuera del resonador. «Es importante tener en cuenta que la retroalimentación se desencadena por cada fotón detectado. Si el número de fotones detectados pasa de 0 a 1, la intensidad de las pinzas ópticas se intensifico casi de inmediato, en un intervalo de tiempo que es 70 veces más corto que el período de oscilación del átomo «, explica Alexander Kubanek, estudiante de doctorado en el División de Dinámica Cuántica. «Actualmente, tenemos que prestar atención a que el tiempo de exposición no sea ni demasiado corto ni demasiado largo», puntualiza. «Para tiempos muy cortos, la información sobre la posición del átomo no es suficiente para desencadenar la retroalimentación deseada. Si por otro lado los tiempos de exposición son muy largos, la retroalimentación se retrasa, dando lugar a una reacción fuera de fase con el movimiento oscilatorio del átomo. Así que tenemos que elegir los tiempos de exposición que son lo suficientemente largos para dar información sobre la posición del átomo, pero son aún más cortos que el período de oscilación del átomo en las pinzas ópticas”.
El mecanismo de retroalimentación, aumenta el tiempo de almacenamiento de un solo átomo de cerca de seis milisegundos sin retroalimentación a 24 milisegundos con retroalimentación. Los tiempos más largos de almacenamiento superiores a 250 milisegundos se consiguen mediante una técnica más sofisticada. Pero, más importante que la mera prolongación de los tiempos de almacenamiento son las implicaciones de la mecánica cuántica del experimento. «Esto demuestra que la información de posición confiable puede ser obtenida por mediciones casi continuas «, el profesor Gerhard Rempe señala. «En el futuro esto podría permitirnos dirigir una trayectoria cuántica individual, con una precisión determinada en última instancia por el principio de incertidumbre de Heisenberg o incluso proteger el estado cuántico de una partícula atrapada contra la influencia nefasta de las fluctuaciones derivadas de medio ambiente del átomo.»
En la imagen se puede observar una representación artística del esquema de retroalimentación: un solo átomo colocado entre dos espejos altamente reflectantes revela información sobre su posición mediante la emisión de fotones simples (los paquetes de onda de color amarillo). Estos fotones son convertidos en impulsos eléctricos digitales (esferas amarillas) y se procesados en un circuito de retroalimentación electrónica. El circuito emite una corriente eléctrica (esferas azules), que altera la intensidad de un láser azul (Onda azul). Este circuito de retroalimentación hace que el átomo oscile en función de su posición medida.
Imagen y texto obtenido de:
http://www.mpq.mpg.de/cms/mpq/en/news/press/archiv/2009/09_12_16.html
