Agencias/Ciudad de México.- Un experimento pionero liderado por la Universidad de Viena ha permitido medir el efecto de la rotación de la Tierra sobre los fotones entrelazados cuánticos.
El trabajo, publicado en Science Advances, representa un logro significativo que amplía los límites de la sensibilidad a la rotación en sensores basados en entrelazamiento, lo que podría sentar las bases para una mayor exploración en la intersección entre la mecánica cuántica y la relatividad general.
Los interferómetros ópticos Sagnac son los dispositivos más sensibles a las rotaciones. Han sido fundamentales para nuestra comprensión de la física fundamental desde los primeros años del siglo pasado, contribuyendo a establecer la teoría especial de la relatividad de Einstein. Hoy, su precisión incomparable los convierte en la herramienta definitiva para medir velocidades de rotación, limitada solo por los límites de la física clásica.
Los interferómetros que emplean entrelazamiento cuántico tienen el potencial de romper esos límites. Si dos o más partículas están entrelazadas, solo se conoce el estado general, mientras que el estado de la partícula individual permanece indeterminado hasta la medición. Esto se puede utilizar para obtener más información por medición de la que sería posible sin él. Sin embargo, el salto cuántico prometido en sensibilidad se ha visto obstaculizado por la naturaleza extremadamente delicada del entrelazamiento. Aquí es donde el experimento de Viena marcó la diferencia.
Los investigadores construyeron un interferómetro Sagnac de fibra óptica gigante y mantuvieron el ruido bajo y estable durante varias horas. Esto permitió la detección de suficientes pares de fotones entrelazados de alta calidad para superar la precisión de rotación de los interferómetros Sagnac ópticos cuánticos anteriores por mil veces.
This method highlights the interplay between #quantummechanics and #relativity, paving the way for future research in these fields.
Read the paper, published in @ScienceMagazine, by Silvestri, Yu et al here:https://t.co/DTuuvYNcFv#QuantumPhysics #PhotonScience #physics— University of Vienna STEM (@stem_univie) June 17, 2024
En un interferómetro Sagnac, dos partículas que viajan en direcciones opuestas de un camino cerrado giratorio alcanzan el punto de partida en diferentes momentos. Con dos partículas entrelazadas, la cosa se pone ‘fantasmoagórica’: se comportan como una sola partícula que prueba ambas direcciones simultáneamente mientras acumula el doble de retraso de tiempo en comparación con el escenario en el que no hay entrelazamiento.
Esta propiedad única se conoce como superresolución. En el experimento real, dos fotones entrelazados se propagaban dentro de una fibra óptica de 2 kilómetros de largo enrollada en una enorme bobina, lo que dio lugar a un interferómetro con un área efectiva de más de 700 metros cuadrados.
Un obstáculo importante al que se enfrentaron los investigadores fue aislar y extraer la señal de rotación constante de la Tierra. “El núcleo del asunto reside en establecer un punto de referencia para nuestra medición, 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 alternativa: dividir la fibra óptica en dos bobinas de igual longitud y conectarlas mediante un interruptor óptico“, explica el autor principal Raffaele Silvestri.
Al activar y desactivar el interruptor, los investigadores pudieron cancelar efectivamente la señal de rotación a voluntad, lo que también les permitió extender la estabilidad de su gran aparato. “Básicamente, hemos engañado a la luz para que piense que está en un universo sin rotación”, dice Silvestri en un comunicado.
El experimento, que se llevó a cabo como parte de la red de investigación TURIS auspiciada por la Universidad de Viena y la Academia de Ciencias de Austria, ha observado con éxito el efecto de la rotación de la Tierra en un estado de dos fotones de máxima entrelazamiento. Esto confirma la interacción entre los sistemas de referencia rotatorios y el entrelazamiento cuántico, tal como se describe en la teoría especial de la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica, con una precisión mil veces mejor en comparación con experimentos anteriores.
En conclusión, la observación exitosa de la rotación de la Tierra utilizando estados de luz entrelazados, un siglo después de la primera observación local del desplazamiento marginal inducido por la rotación de la Tierra con un interferómetro de Sagnac, constituye un hito hacia el objetivo de investigar la interfaz entre la mecánica cuántica y la relatividad general. La técnica de conmutación de área cero que hemos introducido, que permite que la señal de rotación esté referenciada a un marco efectivamente no giratorio, es un avance técnico clave con respecto a trabajos anteriores. Esto se manifiesta en una sensibilidad muy mejorada con respecto a los sensores anteriores basados en entrelazamiento, lo que, a su vez, muestra la promesa de nuestro enfoque para medir los efectos no inerciales relativistas generales en los estados cuánticos.
“Esto representa un hito significativo ya que, un siglo después de la primera observación de la rotación de la Tierra con la luz, el entrelazamiento de fotones individuales finalmente ha entrado en los mismos regímenes de sensibilidad”, dice Haocun Yu, quien trabajó en este experimento como becario postdoctoral Marie-Curie.
“Creo que nuestro resultado y metodología sentarán las bases para futuras mejoras en la sensibilidad de rotación de los sensores basados en entrelazamiento. Esto podría abrir el camino para futuros experimentos que prueben el comportamiento del entrelazamiento cuántico a través de las curvas del espacio-tiempo”, agrega Philip Walther.
El marco del interferómetro se fija sobre una mesa óptica flotante con aire para amortiguar la transducción de vibraciones sísmicas ambientales al marco. Las bobinas de fibra están cubiertas con capas de material aislante (Thinsulate) para mitigar los gradientes espaciales inducidos por la temperatura y las corrientes de aire y las fluctuaciones que varían con el tiempo en la longitud de la fibra y el índice de refracción. Este aislamiento pasivo aumenta la estabilidad del factor de escala en el tiempo al estabilizar el área interferométrica cerrada.
Más importante aún, el método de conmutación óptica también es una herramienta fundamental y poderosa en nuestra implementación experimental. Al poner a cero el área efectiva del interferómetro, podemos obtener una medición de referencia, lo que permite distinguir y eliminar señales espurias que surgen de diversas fuentes técnicas y de ruido de fondo, que incluyen fluctuaciones de la intensidad del láser, imperfecciones en el estado de los fotones de entrada y rotaciones de polarización no ideales. durante la propagación de la luz fuera del bucle de fibra y variaciones en las tensiones mecánicas aplicadas a la estructura del marco a través de sus orientaciones angulares. Además, la modulación de la señal a una frecuencia específica ayuda a mitigar las lentas derivas de frecuencia en la fase medida mediante el posprocesamiento, aumentando así su estabilidad a largo plazo durante tiempos de adquisición que abarcan horas.
