Predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein, Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo generadas por ciertos movimientos de objetos masivos. Es importante estudiarlos porque nos permiten detectar eventos en el universo que de otro modo dejarían poca o ninguna luz observable. como colisiones de agujeros negros.

En 2015, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) y las colaboraciones de Virgo realizaron la primera observación directa de ondas gravitacionales. Las ondas fueron emitidas por una colisión de 1.300 millones de años entre dos agujeros negros supermasivos y se detectaron utilizando interferómetros ópticos de 4 km de longitud, ya que el evento provocó ondas en el espacio-tiempo de la Tierra.

Investigadores de UCL, Universidad de Groningen, y la Universidad de Warwick proponen un detector basado en tecnología cuántica que es 4000 veces más pequeño que los detectores actualmente en uso y podría detectar ondas gravitacionales de frecuencia media.

El estudio, publicado hoy en Nueva Revista de Física , detalla cómo las tecnologías cuánticas de última generación y las técnicas experimentales se pueden utilizar para construir un detector capaz de medir y comparar la fuerza de la gravedad en dos ubicaciones al mismo tiempo.

Funcionaría utilizando cristales de diamante a nanoescala que pesen 10 ^-17 kg. Los cristales se colocarían en una superposición espacial cuántica utilizando interferometría de Stern-Gerlach. La superposición espacial es un estado cuántico en el que los cristales existen en dos lugares diferentes al mismo tiempo.

La mecánica cuántica permite un objeto, por grande que sea, ser deslocalizado espacialmente en dos lugares diferentes a la vez. A pesar de ser contraintuitivo y estar en conflicto directo con nuestra experiencia diaria, el principio de superposición de la mecánica cuántica se ha verificado experimentalmente utilizando neutrones, electrones, iones y moléculas.

Autor para correspondencia Ryan Marshman (UCL Physics &Astronomy y UCLQ), dijo:"Los sensores gravitacionales cuánticos ya existen utilizando el principio de superposición. Estos sensores se utilizan para medir la gravedad newtoniana y crear dispositivos de medición increíblemente precisos. Las masas cuánticas utilizadas por los sensores gravitacionales cuánticos actuales son mucho más pequeñas, como los átomos, pero el trabajo experimental está progresando en las nuevas técnicas de interferometría necesarias para que nuestro dispositivo funcione para estudiar las ondas gravitacionales.

"Descubrimos que nuestro detector podía explorar un rango diferente de frecuencias de ondas gravitacionales en comparación con LIGO. Estas frecuencias solo podrían estar disponibles si los científicos construyen grandes detectores en el espacio con líneas de base de cientos de miles de kilómetros de tamaño".

El equipo imagina que su detector más pequeño propuesto podría usarse para construir una red de detectores que serían capaces de detectar señales de ondas gravitacionales del ruido de fondo. Esta red también sería potencialmente útil al brindar información precisa sobre la ubicación de los objetos que están creando las ondas gravitacionales.

Coautor, Profesor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy y UCLQ), dijo:"Si bien el sensor que hemos propuesto es ambicioso en su alcance, no parece haber ningún obstáculo fundamental o insuperable para su creación utilizando tecnologías actuales y futuras.

"Todos los elementos técnicos para fabricar este detector se han realizado individualmente en diferentes experimentos en todo el mundo:las fuerzas necesarias, la calidad del vacío requerido, el método para colocar los cristales en superposición. La dificultad vendrá al ponerlo todo junto y asegurarse de que la superposición permanezca intacta ".

El siguiente paso es que el equipo colabore con los experimentadores para comenzar a construir prototipos del dispositivo. En tono rimbombante, la misma clase de detectores también puede contribuir a detectar si la gravedad es una fuerza cuántica, como se muestra en un trabajo reciente en UCL y en otros lugares.

Ryan Marshman dijo:"De hecho, nuestra ambición inicial era desarrollar el dispositivo para explorar la gravedad no clásica. Pero, ya que sería un esfuerzo considerable realizar tal dispositivo, pensamos que era realmente importante examinar la eficacia de un dispositivo de este tipo también para medir la gravedad clásica muy débil, como las ondas gravitacionales, y descubrimos que es prometedor ".