El universo, visto a través de la lente de la mecánica cuántica, es un ruidoso, espacio crepitante donde las partículas parpadean constantemente dentro y fuera de la existencia, creando un fondo de ruido cuántico cuyos efectos son normalmente demasiado sutiles para ser detectados en objetos cotidianos.

Ahora por primera vez un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio MIT LIGO ha medido los efectos de las fluctuaciones cuánticas en los objetos a escala humana. En un artículo publicado en Naturaleza , los investigadores informan observar que las fluctuaciones cuánticas, por diminutos que sean, No obstante, puede "patear" un objeto tan grande como los espejos de 40 kilogramos del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser de la National Science Foundation (LIGO), haciendo que se muevan en un grado minúsculo, que el equipo pudo medir.

Resulta que el ruido cuántico en los detectores de LIGO es suficiente para mover los grandes espejos en 10 ^-20 metros:un desplazamiento que fue predicho por la mecánica cuántica para un objeto de este tamaño, pero eso nunca antes se había medido.

"Un átomo de hidrógeno es 10 ^-10 metros, así que este desplazamiento de los espejos es para un átomo de hidrógeno lo que un átomo de hidrógeno es para nosotros, y lo medimos, "dice Lee McCuller, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.

Los investigadores utilizaron un instrumento especial que diseñaron, llamado exprimidor cuántico, para "manipular el ruido cuántico del detector y reducir sus patadas a los espejos, de una manera que, en última instancia, podría mejorar la sensibilidad de LIGO en la detección de ondas gravitacionales, "explica Haocun Yu, estudiante de posgrado en física en el MIT.

"Lo que tiene de especial este experimento es que hemos visto efectos cuánticos en algo tan grande como un ser humano, "dice Nergis Mavalvala, el profesor de mármol y jefe asociado del departamento de física del MIT. "Nosotros también, cada nanosegundo de nuestra existencia, están siendo pateados, golpeado por estas fluctuaciones cuánticas. Es solo que el nerviosismo de nuestra existencia, nuestra energía térmica, es demasiado grande para que estas fluctuaciones cuánticas del vacío afecten nuestro movimiento de manera mensurable. Con los espejos de LIGO, hemos hecho todo este trabajo para aislarlos del movimiento impulsado térmicamente y otras fuerzas, de modo que ahora son suficientes para ser pateados por las fluctuaciones cuánticas y estas espeluznantes palomitas de maíz del universo ".

Yu, Mavalvala, y McCuller son coautores del nuevo artículo, junto con la estudiante de posgrado Maggie Tse y la científica investigadora principal Lisa Barsotti en el MIT, junto con otros miembros de la Colaboración Científica LIGO.

Una patada cuántica

LIGO está diseñado para detectar ondas gravitacionales que llegan a la Tierra desde fuentes cataclísmicas a millones o miles de millones de años luz de distancia. Consta de dos detectores gemelos, uno en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Luisiana. Cada detector es un interferómetro en forma de L compuesto por dos túneles de 4 kilómetros de largo, al final del cual cuelga un espejo de 40 kilogramos.

Para detectar una onda gravitacional, un láser ubicado en la entrada del interferómetro LIGO envía un haz de luz por cada túnel del detector, donde se refleja en el espejo en el otro extremo, para volver a su punto de partida. En ausencia de una onda gravitacional, los láseres deben regresar al mismo tiempo exacto. Si pasa una onda gravitacional, perturbaría brevemente la posición de los espejos, y por tanto los tiempos de llegada de los láseres.

Se ha hecho mucho para proteger los interferómetros del ruido externo, para que los detectores tengan una mejor oportunidad de detectar las perturbaciones extremadamente sutiles creadas por una onda gravitacional entrante.

Mavalvala y sus colegas se preguntaron si LIGO también podría ser lo suficientemente sensible como para que el instrumento pudiera incluso sentir efectos más sutiles. como las fluctuaciones cuánticas dentro del propio interferómetro, y específicamente, ruido cuántico generado entre los fotones en el láser de LIGO.

"Esta fluctuación cuántica en la luz láser puede causar una presión de radiación que realmente puede patear un objeto, "McCuller agrega." El objeto en nuestro caso es un espejo de 40 kilogramos, que es mil millones de veces más pesado que los objetos a nanoescala en los que otros grupos han medido este efecto cuántico ".

Exprimidor de ruido

Para ver si podían medir el movimiento de los espejos masivos de LIGO en respuesta a pequeñas fluctuaciones cuánticas, el equipo utilizó un instrumento que construyeron recientemente como complemento de los interferómetros, que ellos llaman un exprimidor cuántico. Con el exprimidor los científicos pueden ajustar las propiedades del ruido cuántico dentro del interferómetro de LIGO.

El equipo primero midió el ruido total dentro de los interferómetros de LIGO, incluido el ruido cuántico de fondo, así como ruido "clásico", o alteraciones generadas de forma normal, vibraciones cotidianas. Luego encendieron el exprimidor y lo pusieron en un estado específico que alteró específicamente las propiedades del ruido cuántico. Luego pudieron restar el ruido clásico durante el análisis de datos, para aislar el ruido puramente cuántico en el interferómetro. Como el detector monitorea constantemente el desplazamiento de los espejos a cualquier ruido entrante, los investigadores pudieron observar que el ruido cuántico por sí solo era suficiente para desplazar los espejos, por 10 ^-20 metros.

Mavalvala señala que la medición se alinea exactamente con lo que predice la mecánica cuántica. "Pero aún es notable verlo confirmado en algo tan grande, " ella dice.

Dando un paso más, el equipo se preguntó si podrían manipular el exprimidor cuántico para reducir el ruido cuántico dentro del interferómetro. El exprimidor está diseñado de tal manera que cuando se establece en un estado particular, "aprieta" ciertas propiedades del ruido cuántico, en este caso, fase y amplitud. Se puede pensar que las fluctuaciones de fase surgen de la incertidumbre cuántica en el tiempo de viaje de la luz, mientras que las fluctuaciones de amplitud imparten patadas cuánticas a la superficie del espejo.

"Pensamos que el ruido cuántico se distribuye a lo largo de diferentes ejes, e intentamos reducir el ruido en algún aspecto específico, "Yu dice.

Cuando el exprimidor se establece en un cierto estado, puede, por ejemplo, apretar, o reducir la incertidumbre en fase, mientras al mismo tiempo distendiendo, o aumentando la incertidumbre en amplitud. Exprimir el ruido cuántico en diferentes ángulos produciría diferentes proporciones de ruido de fase y amplitud dentro de los detectores de LIGO.

El grupo se preguntó si cambiar el ángulo de esta compresión crearía correlaciones cuánticas entre los láseres de LIGO y sus espejos. de una manera que también pudieran medir. Probando su idea, el equipo colocó el exprimidor en 12 ángulos diferentes y descubrió que, Por supuesto, podrían medir las correlaciones entre las diversas distribuciones de ruido cuántico en el láser y el movimiento de los espejos.

A través de estas correlaciones cuánticas, el equipo pudo exprimir el ruido cuántico, y el desplazamiento del espejo resultante, hasta el 70 por ciento de su nivel normal. Esta medida, de paso, está por debajo de lo que se llama el límite cuántico estándar, cuales, en mecánica cuántica, establece que un número dado de fotones, o, en el caso de LIGO, un cierto nivel de potencia láser, Se espera que genere un cierto mínimo de fluctuaciones cuánticas que generarían una "patada" específica a cualquier objeto en su camino.

Al usar luz comprimida para reducir el ruido cuántico en la medición LIGO, el equipo ha realizado una medición más precisa que el límite cuántico estándar, reduciendo ese ruido de una manera que finalmente ayudará a LIGO a detectar más débil, fuentes más distantes de ondas gravitacionales.