Los investigadores, Garry Goldstein de la Universidad de Harvard, junto con coautores de la Universidad de Harvard, MIT, la Universidad de Copenhague, y el Instituto de Tecnología de California, han publicado su estudio titulado "Mediciones de Precisión con Asistencia del Medio Ambiente" en una edición reciente de Physical Review Letters. En su estudio, los científicos primero describen un caso idealizado, y luego demuestran que funciona en dos casos diferentes: los relojes cuánticos con iones atrapados y magnetometría basada en el spin.
"Nos dimos cuenta de que parte del medio ambiente se puede utilizar para aumentar la sensibilidad", dijo la coautora Paola Cappellaro del MIT ."Encontramos que los estados entrelazados, que no sean los que habitualmente se proponen para la metrología (estados GHZ, estados comprimidos) pueden mejorar la sensibilidad mientras hacen más robusta a la decoherencia".
la imágen muestra un modelo de un spin central acoplado a un baño de spines oscuros los cuales son parte del medio ambiente .Trás monitoriar la dinámica de los spines oscuros el spin central adquiere una más grande sensibilidad lo que le permite "leer" los más pequeños campos externos tales como los campos magnéticos.Crédito.Image credit: G. Goldstein, et al.
Como explican los científicos, un sensor cuántico se puede construir con un spin central acoplado a un baño de spines oscuros, que forman parte del medio ambiente. Todos estos spines actúan como qubits, cada uno con un estado de 0, 1, o una superposición de ambos. Mientras que el spin central se puede controlar y leer, los spines oscuros sólo pueden ser controlados colectivamente y no se detectan directamente. Además, el spin central y los spines oscuros se pueden acoplar, y esta unión puede ser efectivamente encendida y apagada a voluntad.
El spin central puede indirectamente medir el campo externo, como un campo magnético, mediante la detección de la dinámica de los spines oscuros alrededor, que a su vez están afectados por el campo externo. Para ello, los investigadores primero entrelazaron el spin central a los spines oscuros, y luego utilizaron este estado entrelazado para sentir el campo externo. A medida que los spines oscuros entrelazados evolucionan, adquieren una fase que depende del estado del spín central. Entonces, los investigadores podrían voltear el spin central y leer sus señales. Mediante la lectura de esta señal, los investigadores podrían medir la diferencia de fase entre los estados de los spines oscuros, lo que proporciona una medida del campo externo.
Es importante destacar que la diferencia de fase adicional debido a los spines oscuros amplifica la señal del spin central y permite que se de lectura a un campo más pequeño que antes, mientras menor sea el campo que un sensor puede leer durante un tiempo determinado, mayor es su sensibilidad cuántica . Mientras que la señal es mejorada , el ruido de fondo sigue siendo el mismo.
"Aquí asumimos que parte del entorno (los " spines oscuros ') se pueden controlar, aunque no se pueden medir directamente, "dijo Cappellaro. "En este escenario, hay dos posibles estrategias: manipular los spines oscuros del entorno para desacoplarlos del sensor o explotarlos mediante la creación de un estado entrelazado con el spin del sensor. Hemos encontrado que esta segunda estrategia es viable y produce una mejor sensibilidad. "
En general, el método logra una precisión que se acerca al límite de Heisenberg.Este límite resulta del principio de incertidumbre de Heisenberg y marca el máximo de sensibilidad que cualquier medición puede lograr.
Al comparar este método a otro procedimiento de medición de precisión basado en el eco del spin, los investigadores encontraron que el nuevo método tiene una mayor sensibilidad debido a la amplificación de la señal del spin central.Ambos métodos tienen aproximadamente los mismos tiempos de coherencia, ya que, para ambos métodos, la decoherencia surge de las interacciones entre los espines oscuros, no del resto del medio ambiente.
Como las simulaciones demostraron, el nuevo método podría tener aplicaciones en la mejora de la sensibilidad de los relojes que usan iones atrapados y la detección magnética basada en spin electrónica en el diamante. Los científicos también predicen que este método podría aplicarse en general a una amplia variedad de sistemas.
"Los relojes extremadamente sensibles son muy importantes, por ejemplo, para el posicionamiento global", dijo Cappellaro. "Los sensores magnéticos podrían encontrar aplicaciones en una amplia gama de áreas, desde la ciencia de los materiales a bio-imágenes."
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fuente de la información:
http://www.physorg.com/news/2011-04-sensitivity-precision-environment.html
