Los investigadores del ICFO informan sobre el descubrimiento de una nueva técnica que podría mejorar drásticamente la sensibilidad de instrumentos como las imágenes de resonancia magnética (MRI) y los relojes atómicos. El estudio, publicado en Naturaleza , informa una técnica para eludir el principio de incertidumbre de Heisenberg. Esta técnica oculta la incertidumbre cuántica en las características atómicas que no ve el instrumento, permitiendo a los científicos realizar mediciones de muy alta precisión.

Sensores de última generación, como resonancias magnéticas y relojes atómicos, son capaces de realizar mediciones con una precisión exquisita. La resonancia magnética se utiliza para obtener imágenes de los tejidos profundos del cuerpo humano y nos dice si podríamos sufrir una enfermedad, mientras que los relojes atómicos son cronometradores extremadamente precisos que se utilizan para GPS, sincronización de internet, e interferometría de línea de base larga en radioastronomía. Uno podría pensar que estos dos instrumentos no tienen nada en común, pero lo hacen:ambas tecnologías se basan en la medición precisa del giro del átomo, el movimiento giroscópico de los electrones y el núcleo. En resonancia magnética, por ejemplo, el ángulo de puntería del giro da información sobre en qué parte del cuerpo se encuentra el átomo, mientras que la cantidad de giro (la amplitud) se usa para distinguir diferentes tipos de tejido. Combinando estos dos datos, la resonancia magnética puede hacer un mapa en 3D de los tejidos del cuerpo.

Durante mucho tiempo se pensó que la sensibilidad de este tipo de medición estaba limitada por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que medir con precisión una propiedad de un átomo pone un límite a la precisión de la medición que puede obtener en otra propiedad. Por ejemplo, si medimos la posición de un electrón con alta precisión, El principio de Heisenberg limita la precisión en la medición de su impulso. Dado que la mayoría de los instrumentos atómicos miden dos propiedades (amplitud de espín y ángulo), el principio parece decir que las lecturas siempre contendrán cierta incertidumbre cuántica. Esta expectativa de larga data ahora ha sido refutada, sin embargo, por los investigadores del ICFO Dr. Giorgio Colangelo, Ferran Martín Ciurana, Lorena C. Bianchet y el Dr. Robert J. Sewell, dirigido por ICREA Prof. en ICFO Morgan W. Mitchell. En su artículo "Seguimiento simultáneo del ángulo de giro y la amplitud más allá de los límites clásicos", publicado esta semana en Naturaleza , describen cómo un instrumento correctamente diseñado puede evitar casi por completo la incertidumbre cuántica.

El truco consiste en darse cuenta de que el giro no tiene uno, sino dos ángulos de apuntar, uno para la dirección noreste-suroeste, y el otro para la elevación sobre el horizonte. El equipo del ICFO mostró cómo poner casi toda la incertidumbre en el ángulo que no mide el instrumento. De esta manera, todavía obedecían el requisito de incertidumbre de Heisenberg, pero escondió la incertidumbre donde no puede hacer daño. Como resultado, pudieron obtener una medición de amplitud de ángulo de precisión sin precedentes, indiferente a la incertidumbre cuántica.

El profesor Mitchell utiliza una sólida analogía para afirmar que "Para los científicos, el principio de incertidumbre es muy frustrante:nos gustaría saberlo todo, pero Heisenberg dice que no podemos. En este caso, aunque, encontramos una manera de saber todo lo que nos importa. Es como la canción de los Rolling Stones:no siempre puedes conseguir lo que quieres / pero si lo intentas a veces, es posible que encuentres / consigas lo que necesitas ".

En su estudio, el equipo del ICFO enfrió una nube de átomos a unos pocos microKelvin, aplicó un campo magnético para producir un movimiento de giro como en la resonancia magnética, e iluminó la nube con un láser para medir la orientación de los espines atómicos. Observaron que tanto el ángulo de giro como la incertidumbre se pueden monitorear continuamente con una sensibilidad más allá de los límites esperados anteriormente. aunque sigue obedeciendo el principio de Heisenberg.

En cuanto a los desafíos enfrentados durante el experimento, Colangelo comenta que "en primer lugar, tuvimos que desarrollar un modelo teórico para ver si lo que queríamos hacer era realmente posible. Luego, no todas las tecnologías que usamos para el experimento existían cuando comenzamos:entre ellas, tuvimos que diseñar y desarrollar un detector particular que fuera lo suficientemente rápido y con muy poco ruido. También tuvimos que mejorar mucho la forma en que estábamos "preparando" los átomos y encontrar una manera de utilizar de manera eficiente todo el rango dinámico que teníamos en el detector. Fue una batalla contra el Lado Oscuro de Quantum, ¡pero lo ganamos! "

Los resultados del estudio son de suma importancia ya que esta nueva técnica muestra que es posible obtener mediciones aún más precisas de los espines atómicos, abriendo un nuevo camino para el desarrollo de instrumentos mucho más sensibles y permitiendo la detección de señales, como ondas gravitacionales o actividad cerebral, con una precisión sin precedentes.