Se ha demostrado que las fluctuaciones cuánticas afectan a los objetos macroscópicos

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Para medir las pequeñas variaciones en la distancia inducidas por las ondas gravitacionales se emplean unos detectores excepcionalmente sensibles. Esas ondas se producen en algunos de los sucesos más catastróficos del universo. En el interferómetro LIGO los espejos están situados en objetos de prueba que pesan kilogramos y que se encuentran en cada extremo de dos cavidades (brazos) de cuatro kilómetros de largo. Para atenuar el ruido externo, las masas de prueba están suspendidas de péndulos, que pueden oscilar solo con frecuencias mucho menores que la frecuencia de la señal gravitatoria que se detecta con ellos. La luz láser se divide en dos haces, cada uno de los cuales es enviado por un brazo diferente y se refleja entre los espejos de la cavidad. Cuando los haces salen de la cavidad, se recombinan y producen patrones de interferencia, que se analizan en busca de indicios de ondas gravitatorias.

En las manos de experimentadores expertos, la luz sirve como sonda en mediciones sumamente precisas. Sin embargo, la naturaleza cuántica de la luz pone un límite intrínseco a la precisión de esas mediciones. Haocun Yu, del equipo del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), en Livingstone, Luisiana, y del Instituto de Tecnología de Massachusetts, y sus colaboradores cuentan en Nature que han superado ese límite en experimentos que efectuaron en el LIGO. Además, los autores presentan la medición de los efectos de las fluctuaciones cuánticas en objetos macroscópicos, con un peso de kilos, a temperatura ambiente. Es notable, ya que tales fluctuaciones ocurren a tamaños de una escala comparable a las dimensiones de las partículas elementales.

Las fluctuaciones del vacío causan lecturas ruidosas de las mediciones de precisión que se hacen con luz. Las fluctuaciones de las mediciones de la fase de la luz producen un fenómeno denominado ruido de disparo, mientras que las fluctuaciones en las mediciones de la amplitud de la luz producen ruido de presión de la radiación. La combinación de los dos ruidos se llama ruido cuántico; limita la precisión de las mediciones de fuerzas y desplazamientos minúsculos. La mayor precisión de cualquier medición que se pueda lograr contando con estados cuánticos que se dan naturalmente recibe el nombre de límite cuántico estándar (LCE).

La luz es una radiación electromagnética; al estado cuántico de menor energía del campo electromagnético de la luz se le llama estado vacío. Pese a su nombre, el vacío no está completamente vacío. Contiene fluctuaciones cuánticas que producen incertidumbres en la medición de la amplitud y la fase de las ondas de luz (en el caso de una onda sinusoidal, la fase describe el desplazamiento de la forma de la onda desde la amplitud mínima que corresponde al arranque del ciclo ondulatorio). El principio de incertidumbre de Heisenberg cuantifica estas incertidumbres.

De la luz que tiene correlaciones entre las incertidumbres de su amplitud y fase se dice que está «comprimida». El principio de Heisenberg sigue cumpliéndose en los estados comprimidos de la luz, pero cuando una de las incertidumbres se reduce la otra aumenta. Se puede utilizar la luz comprimida en experimentos para reducir la incertidumbre de uno de los parámetros correlacionados. Se produce un caso especial de luz comprimida, el llamado vacío comprimido, cuando la amplitud media de la luz es cero.

El LCE es una consecuencia directa del principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual no es posible medir la posición y el momento de un objeto simultáneamente con precisión ilimitada. Un campo electromagnético se puede describir matemáticamente como un conjunto de dos componentes oscilantes: uno está relacionado con la amplitud, el otro con la fase de la onda. Las fluctuaciones de estos dos componentes obedecen también al principio de incertidumbre de Heisenberg. Sin embargo, la precisión de las mediciones de la amplitud y la fase se puede mejorar mucho si las magnitudes de las incertidumbres relativas a los dos componentes se correlacionan entre sí. Esas correlaciones surgen espontáneamente cuando la luz viaja en interferómetros suspendidos, como el del LIGO. Los interferómetros suspendidos miden la fase del campo resultante de las ondas de luz, al que afectan las fluctuaciones tanto de la amplitud como de la fase del campo de vacío de entrada. Esta correlación recibe la denominación de efecto ponderomotriz. La respuesta detectora del instrumento depende de la frecuencia, y los efectos de las fluctuaciones de la amplitud son más evidentes en el dominio de la baja frecuencia de la banda de detección, mientras que las fluctuaciones de la fase son más claras a frecuencias altas.

Los autores midieron el ruido en el interferómetro del LIGO en dos conjuntos de condiciones experimentales: el primero introducía estados de vacío comprimido en el puerto de salida del interferómetro; el otro no introducía estados de vacío comprimido. Representaban entonces las curvas de sensibilidad de los datos, que muestran el nivel de ruido del detector y definen la señal gravitacional mínima que se puede detectar como función de la frecuencia de la señal. Se vio así que, una vez se sustraía el ruido clásico (no cuántico) de la señal, las incertidumbres de las fases del haz láser y en las posiciones de los espejos producían un ruido cuántico que estaba por debajo del LCE. Yu y sus colaboradores habían puesto de manifiesto, pues, dos puntos fundamentales: que las fluctuaciones cuánticas de la luz ejercen una fuerza mensurable en objetos macroscópicos (los espejos de 40 kilogramos de peso), y que el ruido cuántico correspondiente a esas perturbaciones se podía reducir por debajo del LCE.

La luz de fase comprimida, donde es la incertidumbre asociada con la fase lo que se «comprime», se ha usado para reducir el ruido de disparo tanto del LIGO como de Virgo, el detector de ondas gravitacionales de Cascina, en Italia, Y el efecto ponderomotriz se ha ya exhibido previamente, con el movimiento mecánico de unos espejos con masas en la escala entre los picogramos y los microgramos en experimentos de laboratorio. Yu y sus colaboradores confirman ahora que el efecto ponderomotriz se produce en las cavidades ópticas del interferómetro del LIGO y han investigado si valdría, en combinación con estados de vacío comprimidos, para reducir el ruido cuántico por debajo del LCE en las mediciones de la posición de los espejos en las cavidades.

Yu y sus colaboradores son los primeros en demostrar experimentalmente que una técnica cuántica no demoledora (un método en el que la medición de un sistema cuántico se realiza repetidamente sin perturbarlo) funciona en los detectores de ondas gravitatorias. En el presente, esos detectores usan los estados de fase comprimida para reducir el ruido de disparo sin tomar en consideración las correlaciones que los espejos del interferómetro introducen. Este método mejora la sensibilidad solo para señales gravitacionales en las que la frecuencia es mayor de diez0 herzios, hasta el límite de la banda de detección. Por el contrario, la técnica de Yu y sus colaboradores permite potencialmente la mejora de la detección de banda ancha. Sin embargo, habrá que trabajar más para reducir el ruido clásico en el interferómetro.

Una de las dificultades principales en estos tipos de mediciones son las fluctuaciones térmicas, que pueden impulsar el movimiento del espejo y constituyen una de las fuentes principales de ruido para los detectores de ondas gravitatorias. Por eso se han necesitado condiciones criogénicas en experimentos anteriores para reducir el ruido cuántico por debajo del LCE. Es impresionante que las mediciones de Yu y sus coautores se hayan hecho a temperatura ambiente.

Valeria Sequino y Mateusz Bawaj/Nature News

Una vez se haya desarrollado una mejor sensibilidad, se podrán detectar más ondas gravitacionales de lo que es posible en el presente. Trabajos futuros en la supresión del ruido nos llevarán, pues, hacia una apasionante era de rendimiento sub-LCE de los detectores de ondas gravitacionales. 

Referencia: «Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO», de Haocun Yu et al., en Naturevolumen cincoocho3págs. 43-4siete (veinteveinte).

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Reseach Group.

Zacarias Perdomo
Maestroviejo

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