Un prototipo de sensor cuántico desarrollado por investigadores del Imperial College de Londres ha proporcionado la primera demostración en el mundo real de que una idea clave detrás de los futuros detectores cuánticos podría funcionar más allá de las suposiciones estándar de laboratorio.
Las investigaciones han demostrado que comparar dos interferómetros atómicos de referencia larga, instrumentos altamente sensibles que utilizan láseres para rastrear el movimiento de los átomos, puede eliminar eficazmente el ruido experimental. Como resultado, los científicos pueden recuperar señales significativas incluso cuando las mediciones individuales parecen completamente abrumadas.
El avance podría ayudar a allanar el camino para futuras búsquedas de posibles signos de las primeras ondas gravitacionales del universo y formas exóticas de materia oscura.
El trabajo es parte de la Red y Observatorio del Interferómetro Atómico (AION), una colaboración en todo el Reino Unido liderada por Imperial que está desarrollando tecnología de detección cuántica de próxima generación.
Se publican los resultados la naturaleza.
Usando sensores cuánticos para explorar el universo
Una de las mayores preguntas sin respuesta en física es de qué está hecho el universo. Los científicos están buscando nuevas fuentes de ondas gravitacionales, ondas producidas por algunos de los eventos más poderosos del espacio-tiempo.
Ambos objetivos se basan en detectar señales increíblemente débiles que pueden desaparecer fácilmente bajo el ruido de fondo. Si los investigadores esperan explorar regiones del universo más allá del alcance de los instrumentos actuales, es esencial desarrollar métodos que puedan separar de manera confiable esas señales de las interferencias.
Entre las herramientas más prometedoras para esta tarea se encuentran los interferómetros atómicos de línea de base larga. Estos dispositivos utilizan láseres para dividir nubes de átomos y luego volver a ensamblarlas, lo que permite a los investigadores medir pequeños cambios en el movimiento atómico con extraordinaria precisión.
La técnica compara dos nubes de átomos ubicadas en lugares diferentes pero controladas por el mismo láser. Cualquier diferencia en su comportamiento puede indicar la presencia de fenómenos nunca antes vistos, como un campo de materia oscura.
Sin embargo, un obstáculo importante proviene del propio láser. El ruido de fase generado durante la operación es mucho más fuerte que la señal que los científicos intentan detectar. Sin una forma de eliminar ese ruido, resulta imposible ver las medidas deseadas.
Los investigadores llevan mucho tiempo proponiendo resolver este problema comparando dos interferómetros y cancelando el ruido compartido. Aunque este concepto forma la base de futuros diseños de detectores, nunca antes se había demostrado en condiciones experimentales realistas.
Al discutir la importancia del logro, el codirector del Laboratorio de Estroncio Ultrafrío del Imperial College de Londres. Charles Baynham dice:
“Sabemos desde hace mucho tiempo que los sensores cuánticos pueden ayudarnos a comprender el universo, pero sólo recientemente ha sido posible construirlos con la resolución que necesitamos.
“Estamos muy orgullosos de los esfuerzos de nuestro equipo para hacer realidad estos sensores. No puedo esperar a que llegue el día en que la señal de un átomo nos informe sobre un agujero negro que se fusionó hace millones de años”.
Examinando la cancelación de ruido cuántico
Para probar el concepto, el equipo construyó un sistema experimental de mesa en el Laboratorio Imperial de Estroncio Ultrafrío.
La configuración utilizó dos nubes muy separadas de átomos de estroncio-87 ultrafríos que se midieron utilizando un único reloj láser ultraestable. Fue diseñado para replicar las condiciones esperadas en futuros detectores a gran escala, donde el control del ruido se vuelve cada vez más desafiante.
Para crear un experimento particularmente exigente, los investigadores agregaron deliberadamente una gran cantidad de ruido de fase adicional al sistema, mucho más de lo que suelen generar los láseres de reloj. El objetivo era simular el entorno esperado en interferómetros atómicos de línea de base larga.
En estas condiciones, cada interferómetro por sí solo resulta prácticamente inutilizable. Los patrones de interferencia necesarios para la medición quedaron enterrados bajo el ruido.
Cuando los científicos comparan los dos interferómetros, la señal subyacente reaparece. Aunque cada medición individual parece aleatoria, la relación entre los dos conjuntos de datos revela el verdadero comportamiento del sistema. Los resultados combinados alcanzan los límites fundamentales impuestos por la física cuántica, lo que confirma que el método de cancelación de ruido funciona según lo previsto.
Luego, el equipo introdujo una señal oscilante adicional que se asemeja a una onda gravitacional transitoria o un efecto de campo de materia oscura.
Incluso en situaciones en las que ninguno de los interferómetros producía información útil por sí solo, la señal añadida era claramente detectable cuando ambos sistemas se analizaban juntos.
Hacia el futuro detectores de materia oscura y ondas gravitacionales
Los resultados proporcionan la primera confirmación experimental de un principio central detrás de los interferómetros atómicos de línea de base larga y abordan uno de los desafíos más importantes que enfrenta su desarrollo.
A través del programa AION, los investigadores están trabajando para ampliar estas tecnologías a instrumentos más grandes capaces de explorar regiones del universo que antes eran inaccesibles.
AION también está vinculada a un esfuerzo internacional más amplio que incluye una estrecha colaboración con el proyecto MAGIS de Fermilab y otras instituciones estadounidenses. Juntos, los investigadores están desarrollando interferómetros atómicos a gran escala diseñados para la investigación de física fundamental.
Un proyecto futuro propuesto es el Experimento CERN de Interferometría Atómica (AICE), que aplicaría la misma técnica en distancias mucho mayores. Una vez construido, AICE liderará una nueva dirección para el CERN mediante el uso de tecnología de detección cuántica para investigar la física fundamental a una escala sin precedentes. Este podría convertirse en uno de los experimentos cuánticos más grandes jamás construidos.
Codirector del laboratorio de estroncio ultrafrío de Imperial. Richard Hobson dice:
“Hemos tomado algunos de los instrumentos más precisos jamás construidos (relojes atómicos e interferómetros atómicos) y hemos demostrado que pueden reutilizarse para abrir ventanas completamente nuevas a partes invisibles de nuestro universo.
“Nuestro experimento actual es simplemente un prototipo, pero ampliarlo a una instalación a gran escala en un laboratorio como el CERN o Fermilab nos permitirá abordar algunos de los misterios más profundos de la física, incluida la naturaleza de la materia oscura”.
Los investigadores imperiales continúan desarrollando planes para sistemas más grandes como parte de un esfuerzo global para crear una nueva generación de sensores cuánticos.
En el futuro, estos detectores podrían explorar frecuencias de ondas gravitacionales que actualmente son inaccesibles y buscar tipos de materia completamente nuevos, proporcionando una nueva forma de estudiar el cosmos.
El profesor Oliver Buchmüller, investigador principal de la colaboración AION de Imperial, añadió:
“Este trabajo marca un hito importante hacia futuros sensores cuánticos a gran escala para la física fundamental. Demuestra, en condiciones experimentales realistas, una técnica clave relevante para las instalaciones de interferómetros atómicos de próxima generación actualmente en desarrollo a nivel internacional, incluida la instalación propuesta de AICE en MAGIS y CERIN en Fermilab”.
La colaboración AION está dirigida por el Imperial College London e incluye investigadores de la Universidad de Birmingham, Cambridge, Liverpool King’s College y Oxford, junto con el Laboratorio STFC Rutherford Appleton.
El proyecto recibió el apoyo del programa Quantum Technologies for Fundamental Physics (QTFP), una iniciativa conjunta STFC-EPSRC.
