Investigadores del laboratorio Schliesser del Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, han llevado la precisión de las mediciones de fuerza y ​​posición a un nuevo régimen. Su experimento es el primero en superar el llamado "Límite cuántico estándar, "o SQL, que surge en las técnicas ópticas más comunes (y exitosas) para mediciones de posición ultraprecisas. Durante más de 50 años, los experimentadores han corrido para vencer al SQL utilizando una variedad de técnicas, pero fue en vano. En su trabajo reciente, los investigadores del Instituto Niels Bohr han hecho el truco con una simple modificación del enfoque estándar, lo que permite la cancelación necesaria del ruido cuántico en la medición. El resultado y el experimento subyacente tienen implicaciones potenciales para las técnicas de astronomía de ondas gravitacionales. así como microscopía de fuerza con aplicaciones biológicas. El trabajo se publica ahora en la prestigiosa revista científica, Física de la naturaleza .

El problema del ruido cuántico

Las acciones cuánticas tienen consecuencias cuánticas. En el contexto de las mediciones, esto a menudo significa que el mero hecho de medir un sistema cuántico lo perturba. Este efecto se conoce como 'backaction, "y es una consecuencia de las incertidumbres cuánticas fundamentales, concebido por primera vez por Werner Heisenberg durante su estancia en el Instituto de Copenhague de Niels Bohr en la década de 1920. En muchas instancias, esto establece un límite a la precisión con la que se puede obtener una medición.

Telescopios de ondas gravitacionales como LIGO, el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser, cuyos descubrimientos fueron galardonados con el premio Nobel de Física 2017, hacer rebotar la luz láser en un espejo para medir su posición, en una configuración óptica conocida como interferómetro. La "imprecisión" de esta medición se puede mejorar aumentando la potencia del láser, pero eventualmente las patadas aleatorias de los fotones láser alterarán la posición del espejo, lo que conduce a una medición menos sensible que deja sin detectar objetos astronómicos débiles o distantes. Al equilibrar de forma óptima el ruido de imprecisión y la contraacción, se puede alcanzar una cantidad mínima de ruido adicional, estableciendo el "Límite cuántico estándar" (SQL). Este nivel mínimo de ruido establece la mejor precisión posible para cualquier interferómetro convencional.

Para sortear este límite hay que modificar el interferómetro de alguna manera para evitar estas fuentes de ruido cuántico. En los 50 años transcurridos desde que se estableció SQL, se han presentado varias propuestas, y los últimos años han traído varias demostraciones experimentales de prueba de principio. Hasta aquí, ningún experimento ha medido realmente la posición de un objeto con una precisión que supere al SQL. Pero esto es precisamente lo que ha logrado el equipo de Copenhague, gracias a avanzadas técnicas ópticas y nanomecánicas.

Mejor que el patrón oro

"El SQL es una especie de estándar de oro para la calidad de una medición. No es nada que no pueda superarse fundamentalmente, pero en lo que respecta a las mediciones de fuerza y ​​posición, resultó ser muy difícil. Incluso LIGO aún no está allí. Pero con nuestro sistema pensamos que deberíamos tener una oportunidad, "explica el profesor Schliesser, quien lideró el equipo. Este sistema es una plataforma experimental desarrollada en el grupo de Schliesser durante los últimos años. Al igual que LIGO, utiliza un interferómetro accionado por láser para medir una posición, en este caso el de una membrana de nitruro de silicio cerámico. Aunque es muy delgado (20 nanómetros), la membrana tiene varios milímetros de ancho y es fácilmente visible a simple vista. El 'truco' empleado por los investigadores para ir más allá del SQL consiste en realizar una medición especial de la luz reflejada en la membrana. En esta configuración, el detector es capaz de medir simultáneamente tanto la imprecisión como la retroacción de una manera que permite que estas fuentes de ruido se cancelen entre sí. En otras palabras, lo que queda es una medida "limpia".

Una mejora del 30 por ciento es una muy buena noticia para aplicaciones prácticas

"Una vez que supimos que podíamos acercarnos mucho al SQL, las modificaciones necesarias para superarlo fueron bastante sencillas, "explica el Dr. David Mason, un postdoctorado estadounidense en Copenhague, y autor principal del estudio. "Estamos utilizando efectos cuánticos que surgen en la configuración de medición en sí, por lo que el esfuerzo tecnológico adicional es realmente limitado. Esas son buenas noticias para posibles aplicaciones prácticas ". Con esta técnica, el grupo de NBI pudo medir la posición de su membrana con una precisión casi un 30 por ciento mejor de lo que permitiría el SQL. Esto marca un momento decisivo para las mediciones cuánticas de objetos mecánicos, destacando hasta qué punto se ha avanzado el estado de la técnica, y sugiriendo un camino brillante por delante. Los sistemas opto-mecánicos como el aquí estudiado están preparados para continuar contribuyendo al desarrollo de técnicas relacionadas con la astronomía de ondas gravitacionales. al mismo tiempo que aplican su extrema sensibilidad en otros ámbitos. Los dispositivos del laboratorio Schliesser ya se están integrando en aplicaciones de detección de fuerza de última generación, donde pueden permitir imágenes similares a resonancias magnéticas a una escala nanométrica, tal vez la obtención de imágenes de virus de influenza o de IH individuales.