Un equipo de investigadores dirigido por Philipp Walther de la Universidad de Viena realizó un importante experimento en el que midieron el efecto de la rotación de la Tierra sobre fotones cuánticos entrelazados. Trabajo, recientemente publicado. Avances en la cienciarepresenta un logro significativo que supera los límites de la sensibilidad de rotación en sensores basados en entrelazamiento, preparando potencialmente el escenario para una mayor exploración en la intersección entre la mecánica cuántica y la relatividad general.
Los interferómetros ópticos de Sagnac son instrumentos altamente sensibles a la rotación. Han contribuido a nuestra comprensión de la física fundamental desde los primeros años del siglo pasado, contribuyendo al establecimiento de la teoría especial de la relatividad de Einstein. Hoy en día, su precisión incomparable los convierte en la herramienta definitiva para medir la velocidad de rotación, limitada únicamente por los límites de la física clásica.
Los interferómetros que utilizan entrelazamiento cuántico tienen el potencial de romper estas limitaciones. Si dos o más partículas están entrelazadas, sólo se conoce el estado general, mientras que el estado de la partícula individual permanece indeterminado hasta que se mide. Se puede utilizar para obtener más información por medición de la que es posible sin él. Sin embargo, el prometido salto cuántico en sensibilidad se ha visto obstaculizado por la naturaleza altamente frágil del entrelazamiento. Aquí es donde la experiencia de Viena marcó la diferencia. Construyó un gran interferómetro Sagnac de fibra óptica y mantuvo el ruido bajo y estable durante varias horas. Esto permitió la detección de pares de fotones entrelazados de calidad suficiente para mejorar la precisión rotacional de los interferómetros ópticos cuánticos de Sagnac anteriores en un factor de mil.
En un interferómetro de Sagnac, dos partículas que viajan en direcciones opuestas a lo largo de una trayectoria cerrada giratoria llegan a un punto de partida en momentos diferentes. Con dos partículas entrelazadas, la cosa resulta aterradora: se comportan como una sola partícula que explora ambas direcciones simultáneamente y se reúnen el doble de tarde que en el escenario en el que no existe ningún entrelazamiento. Esta propiedad única se conoce como superresolución. En el experimento original, dos fotones entrelazados se propagaban dentro de una fibra óptica de 2 kilómetros de largo enrollada en una bobina muy grande, detectando un interferómetro con un área efectiva de más de 700 metros cuadrados.
Uno de los principales obstáculos a los que se enfrentaron los investigadores fue aislar y extraer la señal de la rotación constante de la Tierra. El autor principal, Rafael Silvestri, explica: “El objetivo principal del asunto es establecer un punto de referencia para nuestras mediciones, donde la luz no se vea afectada por el efecto de rotación de la Tierra. Dada nuestra incapacidad para detener la rotación de la Tierra, ideamos una solución: dividir la fibra óptica en dos bobinas de igual longitud y conectándolas a través de un interruptor óptico.” Al encender y apagar el interruptor, los investigadores pudieron cancelar efectivamente la señal de rotación a voluntad, lo que también les permitió aumentar la estabilidad de sus dispositivos más grandes. “Básicamente hemos engañado a la luz haciéndole creer que está en un universo que no gira”, dice Silvestri.
El experimento, que se llevó a cabo como parte de la red de investigación TURIS patrocinada por la Universidad de Viena y la Academia de Ciencias de Austria, observó con éxito el efecto de la rotación de la Tierra en el estado máximo entrelazado de dos fotones. Confirma la interacción entre los sistemas de referencia giratorios y el entrelazamiento cuántico, tal como se describe en la teoría especial de la relatividad y la mecánica cuántica de Einstein, con mil veces más precisión que experimentos anteriores. “Esto representa un hito importante ya que, un siglo después de la primera observación de la rotación de la Tierra con la luz, el entrelazamiento de cuantos de luz individuales finalmente entró en el mismo sistema de detección”, dice Haocun Yu, que trabajó en este experimento como Marie-Curie. . Becario postdoctoral. “Creo que nuestro resultado y nuestra metodología sentarán las bases para futuras mejoras en la sensibilidad de rotación de los sensores basados en entrelazamiento. Esto puede abrir el camino para futuros experimentos que investiguen el comportamiento del entrelazamiento cuántico a través de curvas espacio-temporales”, afirma. Felipe Walther.
