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MADRID 17 Jun. (EUROPA PRESS) -
Un prototipo de sensor cuántico desarrollado por investigadores del Imperial College de Londres (Reino Unido) ha demostrado, por primera vez, que un principio clave en el que se basan los detectores cuánticos de próxima generación puede funcionar en condiciones realistas.
El estudio, publicado en 'Nature', demuestra cómo la comparación de dos interferómetros atómicos de línea de base larga, instrumentos que utilizan láseres para medir con precisión el comportamiento de los átomos, permite cancelar eficazmente el ruido experimental.
Esto permite recuperar señales incluso cuando las mediciones individuales se ven saturadas, y abre la puerta a la búsqueda de ondas gravitacionales del universo primitivo y de indicios de formas exóticas de materia oscura.
Este trabajo forma parte de la colaboración Atom Interferometer Observatory and Network (AION). Liderada por Imperial College, AION reúne a investigadores de instituciones de todo el Reino Unido para desarrollar tecnologías de detección cuántica de última generación.
Comprender de qué está hecho el Universo e identificar nuevas fuentes de ondas gravitacionales siguen siendo retos importantes en la física moderna. Ambos problemas requieren medir señales extremadamente débiles que pueden perderse fácilmente entre el ruido de fondo. Encontrar métodos fiables para detectarlas es fundamental para explorar regiones del universo a las que los experimentos actuales no pueden acceder.
Los interferómetros atómicos de línea de base larga se perfilan como una de las herramientas más prometedoras para este fin. Funcionan utilizando láseres para separar nubes de átomos y luego volver a unirlas, lo que permite medir con extrema precisión cambios mínimos en su movimiento.
Estos experimentos se basan en comparar el comportamiento de dos nubes de átomos situadas en lugares distintos e interrogadas por el mismo láser. Cualquier diferencia entre ambas podría indicar señales previamente ocultas, como por ejemplo la presencia de un campo de materia oscura.
Sin embargo, la técnica se enfrenta a un gran desafío. El láser utilizado para controlar el experimento produce un ruido de fase mucho mayor que las señales que los investigadores intentan medir. Si no se corrige, este ruido enmascara por completo estos efectos.
Para superar este problema, los científicos han propuesto un enfoque diferencial, comparando dos interferómetros de manera que el ruido compartido se cancele. Este método es fundamental para los planes de los detectores de próxima generación, pero hasta ahora no se había demostrado en condiciones reales.
En referencia a la importancia de este avance, el doctor Charles Baynham, codirector del Laboratorio de Estroncio Ultrafrío del Imperial College de Londres, declara: "Sabemos desde hace tiempo que los sensores cuánticos pueden ayudarnos a comprender el universo, pero solo recientemente ha sido posible construirlos con la resolución necesaria.
En el nuevo estudio, los investigadores se propusieron comprobar experimentalmente este principio. En el Laboratorio Imperial de Estroncio Ultrafrío, construyeron un prototipo de sobremesa con dos nubes de estroncio-87 ultrafrío separadas macroscópicamente, analizadas mediante un único láser de reloj ultraestable.
El montaje se diseñó para imitar las condiciones previstas en experimentos futuros mucho mayores, donde controlar el ruido se vuelve cada vez más difícil. Para llevar el método al límite, el equipo introdujo deliberadamente grandes cantidades de ruido de fase adicional en el sistema, mucho más de lo que producen naturalmente los láseres de reloj, para simular las condiciones esperadas en los detectores de línea de base larga.
Individualmente, cada interferómetro quedó inutilizable, ya que su señal quedó oscurecida por el ruido. Los patrones de interferencia que normalmente permiten realizar mediciones fueron borrados por completo.
Sin embargo, al comparar ambos interferómetros, se pudo recuperar una señal clara. Aunque cada medición individual parecía aleatoria, la correlación entre ellas reveló el comportamiento subyacente del sistema. La medición combinada opera en el límite fundamental establecido por la física cuántica, lo que demuestra que la cancelación de ruido láser funciona según lo previsto.
Los científicos dieron un paso más allá e introdujeron una señal oscilante adicional en el sistema, similar a la que podría producir una onda gravitacional o un campo de materia oscura. Esta señal aún podía detectarse con claridad, incluso en condiciones en las que ninguno de los interferómetros por sí solo contenía información útil.
Los resultados proporcionan la primera validación experimental de un principio clave que subyace a los interferómetros atómicos de línea de base larga, lo que ayuda a resolver un desafío central en su diseño.
En el marco del programa AION, los investigadores están desarrollando las tecnologías necesarias para ampliar estos sistemas a experimentos capaces de explorar nuevas regiones del Universo.
AION también forma parte de un programa internacional más amplio que incluye estrechas colaboraciones con el proyecto MAGIS en Fermilab e instituciones estadounidenses asociadas, lo que contribuye al avance de los interferómetros atómicos a gran escala para la física fundamental.
Esto incluye propuestas como el Experimento de Interferometría Atómica del CERN (AICE), que aplicaría técnicas similares a distancias mucho mayores. De concretarse, AICE representaría una nueva dirección para el CERN, aplicando la detección cuántica a la física fundamental a gran escala. Estas instalaciones podrían, además, figurar entre los mayores experimentos cuánticos de su tipo.
El doctor Richard Hobson, codirector del Laboratorio de Estroncio Ultrafrío del Imperial College, puntualiza: "Hemos tomado algunos de los instrumentos más precisos jamás construidos (relojes atómicos e interferómetros atómicos) y hemos demostrado que se pueden reutilizar para abrir ventanas completamente nuevas a las partes invisibles de nuestro Universo.
Nuestro experimento actual es solo un prototipo, pero ampliarlo a una instalación a gran escala en laboratorios como el CERN o Fermilab nos permitirá abordar algunos de los misterios más profundos de la física, incluida la naturaleza de la materia oscura."
Investigadores del Imperial College están desarrollando planes para estos sistemas como parte de un esfuerzo internacional para construir una nueva generación de sensores cuánticos. En el futuro, estos detectores podrían explorar bandas de frecuencia de ondas gravitacionales hasta ahora inaccesibles y buscar nuevas formas de materia, abriendo una ventana inexplorada al Universo.
El profesor Oliver Buchmueller, investigador principal de la colaboración AION en el Imperial College, añade: "Este trabajo supone un hito importante para el desarrollo de futuros sensores cuánticos a gran escala para la física fundamental. Demuestra, en condiciones experimentales realistas, una técnica clave relevante para las instalaciones de interferometría atómica de próxima generación que se están desarrollando actualmente a nivel internacional, como MAGIS en Fermilab y la propuesta instalación AICE en el CERN".
La colaboración AION está liderada por el Imperial College de Londres e incluye investigadores de las Universidades de Birmingham, Cambridge, Liverpool King's College y Oxford, junto con el Laboratorio Rutherford Appleton del STFC.
El programa contó con el apoyo del programa Tecnologías Cuánticas para la Física Fundamental (QTFP), una iniciativa conjunta del STFC y el EPSRC.