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» » Superando el límite de Heisenberg

Un grupo de físicos en España ha demostrado cómo hacer una medición cuántica que supera un límite relacionado con el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg. Los investigadores confirmaron una predicción teórica sobre la forma de superar el límite de Heisenberg usando fotones que interactúan para medir el giro atómico, y señalan que su enfoque podría conducir a una búsqueda más sensible de las ondas gravitacionales en el espacio-tiempo y quizás, también, a la mejora de imágenes cerebrales.

El límite estándar de precisión, con el que se puede llevar a cabo una medida cuántica, se debe a un error estadístico asociado con un número discontinuo de partículas en lugar de cantidades continuas. Así, por ejemplo, al medir la diferencia de fase entre las ondas que se envían a los dos brazos de un interferómetro, el error de esta cantidad se halla con la raíz cuadrada del número total de fotones medido, N. Una vez que se calcula la señal con N, el ratio de ruido a señal también se halla de la misma forma. O dicho de otra manera, la sensibilidad de la medición pasa a ser la señal mínima que se puede medir con un determinado nivel de ruido, calculándose con 1/ N 1/2.

No obstante, es posible mejorar esta escala con el entrelazamiento de fotones, dado que esto se correlaciona con lo que, de otra manera, serían fuentes de ruido independientes de las partículas individuales. Estos entrelazamientos permiten realizar mediciones que se acercan a lo que se llama el límite de Heisenberg, lo que significa ajustar la sensibilidad con 1/ N. Hasta hace poco, se pensaba que esta magnitud representaba el límite absoluto de sensibilidad de las mediciones cuánticas.

Cogidos en la trampa

Sin embargo, en 2007, un grupo dirigido por Carlton Caves, en la Universidad de Nuevo México en EE.UU., predijo que el límite de Heisenberg podría ser superado introduciendo interacciones no lineales entre las partículas de medición. Esta predicción ha demostrado ser cierta, gracias a un experimento llevado a cabo por Morgan Mitchell y sus colegas, del Instituto de Ciencias Fotónicas, en Barcelona. El grupo de Mitchell disparó pulsos láser a una muestra de átomos de rubidio ultrafríos sujetos en una trampa óptica, y midieron el momentum angular del espín de los átomos, originado por el eje de polarización de los fotones al rotar.

En una medición lineal, cada fotón interactuará separadamente con los átomos, dando una señal relativamente débil. Pero lo que los investigadores hicieron fue llevar a cabo mediciones no lineales, fortaleciendo la intensidad de los pulsos láser lo suficiente para que cada fotón, y de esta manera, registraron el estado magnético de un átomo y también la alteración de la estructura electrónica de ese átomo. Esto, a su vez, deja su huella en la polarización del siguiente fotón, de esta forma se amplifica la señal. "Tenemos una señal de que no depende sólo de lo que queremos, sino también de lo que enviamos", explica el miembro del equipo, Mario Napolitano.

Según Napolitano, no estaba claro que una señal pudiera amplificarse de esta forma en la práctica, ya que se calculaba que la no linealidad incrementaría el ruido tanto como la señal. Pero su equipo ha sido capaz de ajustar adecuadamente la no linealidad, mediante la concentración de una interacción entre átomos y fotones en una región muy pequeña del espacio, y ajustar de forma muy precisa la frecuencia del láser, de modo que estuviese lo mejor adaptado a la estructura de los átomos electrónicos. Más tarde, midieron la rotación de la polarización de los fotones utilizando el interferómetro, que mide el ruido y mide el número de fotones, entonces, repitieron el proceso en diferentes números de fotones, los investigadores pudieron demostrar que el cálculo de sensibilidad con el número de fotones era mejor que el cálculo del límite de Heisenberg. De hecho, se logró una sensibilidad con 1/ N 3/2.

El beneficio para los relojes y el cerebro

Napolitano se apresura a señalar que, este resultado no implica que el principio de incertidumbre de Heisenberg esté equivocado, sino que indica que no entiende correctamente cómo escalar ese principio a los sistemas de múltiples partículas. Él piensa que, en última instancia, este trabajo podría tener importantes aplicaciones prácticas, como la mejora de relojes atómicos, ya que estos dispositivos se basan en los interferómetros. Es más, varios grupos de investigación están estudiando la posibilidad de medir los cambios eléctricos en el cerebro a través del uso de la luz, para probar las propiedades magnéticas de los átomos colocados cerca del cerebro, y este último trabajo podría mejorar esta técnica.

Jonathan Dowling, un físico teórico de la Universidad Estatal de Louisiana en EE.UU., añade que este trabajo también podría ayudar a buscar las ondas gravitatorias. Los investigadores esperan para registrar la distorsión de las ondas gravitacionales del espacio-tiempo, midiendo la diferencia en la longitud de la trayectoria experimentada por unos rayos láser que viajan por los dos tubos ortogonales de un interferómetro. Dowling señala que si el detector LIGO pudiera operar con una sensibilidad de 1/ N 3/2, en lugar de 1/ N 1/2, entonces, en función de su sensibilidad podría aumentarse tanto como reducirse enormemente la potencia del láser, lo cual evitaría posibles calentamientos y la deformación de las instalaciones ópticas. "Esto abre una nueva puerta en la interferometría no lineal", agregó.

Sin embargo, Barry Sanders, físico cuántico de la Universidad de Calgary en Canadá, pide un poco de prudencia. "El experimento demuestra que el límite de Heisenberg puede ser superado en el mundo real; pero las aplicaciones prácticas no resultarán probables en un futuro próximo, debido a los retos técnicos que hay que superar, sobre todo el ruido. Pese a todo, seguiremos explorando la física básica, usando recursos cuánticos para mediciones precisas."

La investigación está publicada en la revista Nature.

  • Referencia: PhysiscsWorld.com, 24 marzo 2011, por Edwin Cartlidge
  • Imagen: Instituto Americano de Física / Fototeca de la Ciencia.

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Editor del blog Pedro Donaire

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