Resumen:
En el tenis de mesa o el fútbol, la esfera giratoria de alta velocidad "bola en bucle" dibujará una trayectoria curva debido a las diferencias en el flujo de aire. Este fenómeno clásico de la física se llama efecto Magnus. Recientemente, un equipo de investigación internacional dirigido por científicos del Instituto Paul Scherrer (PSI) de Suiza publicó un artículo en la revista académica Physical Review Letters, anunciando que por primera vez se observó directamente el correspondiente "efecto Magnus óptico" utilizando láseres e iones individuales a una escala extremadamente microscópica.
Este fenómeno revela que hay un pequeño desplazamiento lateral de cientos de nanómetros en el fuerte punto de interacción entre el láser altamente enfocado y el qubit. Este descubrimiento tiene un valor científico importante para mejorar la precisión del control de las computadoras cuánticas con trampa de iones.
Normalmente, se cree intuitivamente que la intensidad de la luz es más fuerte en el centro del rayo láser, y la interacción con los átomos también debería ser más intensa en el centro del rayo. Sin embargo, cuando la luz láser se enfoca con mucha precisión, la estructura espacial de su campo electromagnético sufre una compleja remodelación microscópica. Los físicos teóricos de la Universidad de Ámsterdam predijeron hace unos años que este cambio en el campo de las ondas luminosas provocaría que el punto de interacción más fuerte entre el láser y los átomos no cayera en el centro del punto luminoso, sino ligeramente hacia un lado, lo que a nivel óptico se manifiesta como el efecto Magnus.
Para capturar este fenómeno físico extremadamente débil en el experimento, el equipo de investigación utilizó campos electromagnéticos para inmovilizar iones de calcio individuales en una trampa de iones en una cámara de vacío ultraalto. En la computación cuántica, los iones atrapados se utilizan a menudo como qubits para realizar cálculos, y los pulsos láser finamente sintonizados son la herramienta central para cambiar sus estados cuánticos. Durante el experimento, los investigadores movieron un rayo láser altamente enfocado en relación con los iones de calcio y midieron con precisión la intensidad de la interacción entre los iones y el campo de luz en diferentes coordenadas espaciales. Utilizando iones de calcio como sonda microscópica, midieron con éxito un pequeño desplazamiento lateral de sólo unos pocos cientos de nanómetros.
El experimento también reveló una propiedad física inesperada: la magnitud exacta de este desplazamiento lateral depende sólo de la longitud de onda del láser utilizado, no de la precisión con la que se enfoca el rayo láser. Para las computadoras cuánticas con trampa de iones que dependen de rayos láser precisos para abordar qubits individuales y controlar puertas lógicas cuánticas, si el desplazamiento "excéntrico" de cientos de nanómetros se ignora en el algoritmo y la alineación óptica, es posible que el láser no actúe con precisión sobre el objetivo deseado, introduciendo así errores sistemáticos en operaciones cuánticas continuas de alta precisión.
Philip Leindecker, primer autor del estudio e investigador del Departamento de Física y del Instituto Paul Scherr de ETH Zurich, también señaló que este efecto no es solo una interferencia negativa, sino que también se espera que la fuerza electromagnética microscópica que genera se utilice como un nuevo mecanismo físico para ayudar a lograr un acoplamiento controlado entre qubits adyacentes, proporcionando así nuevas formas experimentales de realizar operaciones de lógica cuántica más complejas. Este logro no solo verificó hipótesis teóricas de larga data a nivel de la óptica cuántica básica, sino que también estableció un parámetro de referencia importante para la calibración del sistema óptico del hardware cuántico de trampa de iones altamente tolerante a fallas de próxima generación.
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