La interferometría de precisión con estados cuánticos ha emergido como una herramienta esencial para responder a preguntas fundamentales en física. Los interferómetros ópticos cuánticos son de particular interés debido a los métodos avanzados para generar y manipular estados cuánticos de luz. Estos dispositivos prometen una mayor sensibilidad, lo que permite probar fenómenos cuánticos, como el entrelazamiento, en regímenes donde los efectos gravitacionales diminutos son relevantes. Sin embargo, esto requiere un procesamiento prolongado y libre de decoherencia del entrelazamiento cuántico, especialmente en áreas interferométricas grandes, lo cual aún es un territorio inexplorado.
Descubrimiento
Recientemente, un grupo de científicos del Instituto de Óptica Cuántica de la Universidad de Viena ha presentado un experimento de mesa utilizando estados cuánticos de luz entrelazados de manera máxima en un interferómetro a gran escala. Este interferómetro es lo suficientemente sensible para medir la tasa de rotación de la Tierra, alcanzando una sensibilidad de 5 μrad s−1, la más alta lograda con interferómetros ópticos cuánticos. Este avance no solo representa un hito en la precisión de medición, sino que también abre la puerta a la exploración de efectos relativistas generales en fotones entrelazados【ScienceAdviser】.
¿Cómo Funciona?
Interferometría Cuántica
La interferometría es una técnica que permite medir con gran precisión utilizando las propiedades de la luz. En términos sencillos, un interferómetro cuántico utiliza la interferencia de fotones (partículas de luz) para realizar mediciones extremadamente precisas. Los estados de luz entrelazados, conocidos como estados N00N, son particularmente útiles. En estos estados, un número específico de fotones existen en una superposición de estar todos en un camino o en otro. Esto permite realizar mediciones de fase con una precisión que supera el límite cuántico estándar【Instituto de Física Teórica】.
El Experimento
En el experimento llevado a cabo en Viena, Austria, los investigadores utilizaron un interferómetro Sagnac de 715 m² con estados N00N de dos fotones. Los fotones se generan en una fuente especial y se entrelazan mediante un divisor de haz polarizador. Estos fotones entrelazados viajan en direcciones opuestas a través de un bucle de fibra óptica de 2 km, recogiendo una fase de Sagnac debido a la rotación de la Tierra. La interferencia resultante se mide para determinar la tasa de rotación【Revista de Física Cuántica】.
Resultados
El interferómetro logró detectar la rotación de la Tierra con una sensibilidad sin precedentes. Al comparar los datos con el interferómetro en modos activados y desactivados, los científicos pudieron confirmar la fase de Sagnac adquirida debido a la rotación terrestre. Este logro se obtuvo gracias a la mejora de la sensibilidad proporcionada por el entrelazamiento cuántico de dos fotones【Universidad de Viena】.
Aplicaciones Potenciales
El avance en la interferometría cuántica utilizando estados de luz entrelazados para medir la rotación de la Tierra tiene varias aplicaciones potenciales en diversos campos. Aquí se presentan tres ejemplos destacados:
1. Navegación y Geolocalización de Alta Precisión
La capacidad de medir con extrema precisión la rotación de la Tierra y otros movimientos sutiles mediante interferometría cuántica puede revolucionar la navegación y la geolocalización. Estos nuevos sistemas podrían ofrecer una precisión sin precedentes en la determinación de posiciones, mejorando significativamente la exactitud de los sistemas de navegación para aviones, barcos y vehículos autónomos.
2. Detección y Estudio de Ondas Gravitacionales
El uso de interferómetros cuánticos de alta sensibilidad podría mejorar la detección de ondas gravitacionales, permitiendo observar fenómenos astronómicos con mayor detalle. Esta tecnología podría complementar y superar las capacidades de los detectores actuales, como LIGO y Virgo, proporcionando datos más precisos sobre eventos cósmicos como la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones.
3. Investigación en Física Fundamental
Este descubrimiento abre nuevas posibilidades para explorar la interacción entre la mecánica cuántica y la relatividad general. Experimentos diseñados para investigar efectos relativistas generales en fotones entrelazados podrían proporcionar nuevas pruebas y desafíos a las teorías actuales de la física. Esto podría llevar a descubrimientos fundamentales sobre la naturaleza del espacio-tiempo, la gravitación y la unificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.
Implicaciones Futuras
Este experimento no solo representa un avance significativo en la medición de la rotación de la Tierra, sino que también allana el camino para futuras investigaciones. Con mejoras adicionales, se espera que sea posible medir efectos relativistas generales en fotones entrelazados, permitiendo explorar la interacción entre la mecánica cuántica y la relatividad general. Además, esta técnica podría aplicarse en otras áreas de la física, como la búsqueda de materia oscura y la prueba de teorías fundamentales en la física cuántica y relativista【Nature Physics】.
Conclusión
La interferometría cuántica con estados de luz entrelazados ha demostrado ser una herramienta poderosa y precisa para medir fenómenos físicos fundamentales. Este avance en la detección de la rotación de la Tierra con fotones entrelazados marca un hito importante y promete abrir nuevas fronteras en la física cuántica y relativista. Con futuras mejoras, esta tecnología podría revolucionar nuestra comprensión del universo en los niveles más fundamentales.
Este descubrimiento es un claro ejemplo de cómo la física cuántica puede proporcionar respuestas precisas a preguntas que antes parecían inalcanzables, demostrando una vez más el poder de la ciencia para expandir los límites de nuestro conocimiento.
