Miden, por primera vez, los efectos de las 'patadas cuánticas' en un objeto a escala humana

Si lo observamos a través de la mecánica cuántica, el Universo es un lugar ruidoso y crepitante, un espacio en el que las partículas entran y salen continuamente de la existencia, creando una especie de 'ruido de fondo' cuántico cuyos efectos, sin embargo, son demasiado sutiles como para detectarlos en los objetos de nuestro día a día.

Pero ahora, y por primera vez, un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser) ha conseguido medir los efectos de esas fluctuaciones cuánticas en objetos a escala humana. En un artículo publicado en Nature, los científicos muestran que las fluctuaciones cuánticas, por diminutas que sean, son igualmente capaces de 'patear' objetos tan grandes como son los espejos de 40 kg de LIGO, haciendo que se muevan ligeramente.

Un movimiento que el equipo de físicos logró observar y cuantificar.

"Un átomo de hidrógeno -explica Lee McCuller, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica y Espacio del MIT y coautor del artículo- mide aproximadamente una diezmilmillonésima de metro (10-10, en notación científica), por lo que este desplazamiento de los espejos es para un átomo de hidrógeno lo que un átomo de hidrógeno es para nosotros, y aún así lo medimos”.

Para ello, los investigadores utilizaron un instrumento especialmente diseñado por ellos, al que llamaron 'exprimidor cuántico' y que, en palabras de Haocun Yu, primer firmante del artículo, sirve "para manipular el ruido cuántico del detector y reducir sus 'patadas' a los espejos, de una manera que finalmente podría mejorar la sensibilidad de LIGO para detectar ondas gravitacionales".

"Lo realmente especial de este experimento -afirma por su parte Nergis Mavalvala, el tercer autor del trabajo- es que hemos observado efectos cuánticos en algo tan grande como un ser humano. A cada nanosegundo de nuestra existencia, nosotros también estamos siendo golpeados por estas fluctuaciones cuánticas. Solo que la inestabilidad de nuestra existencia, nuestra energía térmica, es demasiado grande para que estas fluctuaciones del vacío cuántico afecten nuestro movimiento de manera medible".

Los espejos de LIGO, sin embargo, están totalmente aislados de cualquier ruido o influencia externa por lo que, a diferencia de nosotros, son extraordinariamente estables.

Los espejos de LIGO

El experimento LIGO está diseñado para detectar ondas gravitacionales que llegan a la Tierra desde fuentes cataclísmicas (colisiones de agujeros negros o de estrellas de neutrones) a millones o miles de millones de años luz de distancia. Está formado por dos detectores gemelos, uno en Hanford, Washington, y el otro en Livingston, Louisiana, a 3.000 km de distancia. Cada detector es un interferómetro en forma de 'L' cuyos brazos más largos son dos túneles de 4 kilómetros de largo, al final de los cuales cuelgan sendos espejos de 40 kilogramos.

Para detectar una onda gravitacional, un láser ubicado en la entrada de cada uno de los detectores envía un haz de luz por su túnel correspondiente, donde se refleja en el espejo del otro extremo, para volver a su punto de partida. En ausencia de una onda gravitacional, los láseres de los dos detectores separados por 3.000 km deberían regresar en el mismo momento exacto. Pero si pasa una onda gravitacional, perturbará brevemente la posición de los espejos y, por lo tanto, los tiempos de llegada de los láseres serán diferentes.

Se ha trabajado mucho para proteger los interferómetros del ruido externo, de modo que los detectores tengan una mejor oportunidad de detectar las perturbaciones extremadamente sutiles creadas por una onda gravitatoria entrante.

Mavalvala y sus colegas se preguntaron si LIGO sería lo suficientemente sensible como para sentir también efectos incluso más sutiles, como las fluctuaciones cuánticas dentro del propio interferómetro y, específicamente, el ruido cuántico generado entre los fotones en el láser de LIGO.

"Esta fluctuación cuántica en la luz del láser -explica McCuller- puede causar una presión de radiación que realmente es capaz de golpear un objeto. Ese objeto, en nuestro caso, es un espejo de 40 kilogramos, que es mil millones de veces más pesado que los objetos a nanoescala en los que otros grupos han medido este efecto cuántico".

Un 'exprimidor cuántico'

Para ver si realmente eran capaces de medir el movimiento de los grandes espejos de LIGO causados por las pequeñas fluctuaciones cuánticas de los fotones del láser, el equipo de investigadores utilizó su 'exprimidor cuántico', un instrumento que complementa los interferómetros y gracias al cual es posible ajustar las propiedades del ruido cuántico dentro del interferómetro de LIGO.

Así, los investigadores midieron primero el ruido total dentro de los interferómetros de LIGO, incluido el ruido cuántico de fondo, junto al ruido 'clásico' o las perturbaciones generadas por las vibraciones normales y cotidianas. Luego encendieron el 'exprimidor' y lo configuraron en un estado específico que alteraba solo las propiedades del ruido cuántico. De esta forma, después pudieron sustraer el ruido clásico durante el análisis de datos, y aislar el ruido puramente cuántico en el interferómetro. Como el detector monitorea constantemente el desplazamiento de los espejos ante cualquier ruido entrante, los investigadores pudieron observar que el ruido cuántico era suficiente para desplazar los espejos unos 10 elevado a -20 metros (10-20).

Mavalvala señala que la medida coincide exactamente con lo que predice la mecánica cuántica. "Pero aún así es notable ver que se confirma en algo tan grande", asegura.

Un paso más allá

Yendo un paso más allá, el equipo se preguntó si podrían también manipular el exprimidor para reducir el ruido cuántico dentro del interferómetro. El exprimidor está diseñado de tal manera que cuando se establece en un estado particular, 'aprieta' ciertas propiedades del ruido cuántico, en este caso, la fase y la amplitud. Una forma de entenderlo es pensar que las fluctuaciones de fase surgen de la incertidumbre cuántica en el tiempo de viaje de la luz, mientras que las fluctuaciones de amplitud imparten impulsos cuánticos a la superficie del espejo.

"Pensamos en el ruido cuántico como en algo distribuido a lo largo de diferentes ejes y tratamos de reducir el ruido en algún aspecto específico”, dice Yu.

Cuando el exprimidor se establece en un cierto estado es capaz, por ejemplo, de apretar o reducir la incertidumbre en fase, mientras que simultáneamente se distiende o aumenta la incertidumbre en amplitud. Exprimir el ruido cuántico en diferentes ángulos produciría diferentes proporciones de ruido de fase y amplitud dentro de los detectores de LIGO.

El grupo se preguntó entonces si cambiar el ángulo de esta compresión crearía correlaciones cuánticas entre los láseres de LIGO y sus espejos, de manera que también se pudieran medir. Al probar su idea, los investigadores colocaron el exprimidor en 12 ángulos diferentes y descubrieron que, de hecho, podían medir las correlaciones entre las diversas distribuciones de ruido cuántico en el láser y el movimiento de los espejos.

A través de esas correlaciones cuánticas, los investigadores consiguieron reducir el ruido cuántico y el desplazamiento del espejo resultante hasta un 70 por ciento de su nivel normal. Esta medida, dicho sea de paso, está por debajo de lo que se llama el límite cuántico estándar que, en mecánica cuántica, establece que se espera que un número determinado de fotones o, en el caso de LIGO, un cierto nivel de potencia láser, genere un cierto mínimo de energía cuántica, fluctuaciones que generarían una 'patada' específica a cualquier objeto que se pusiera en su camino.

De esta forma, los investigadores consiguieron llevar a cabo mediciones más precisas de lo que establece el límite cuántico estándar, y pudieron además reducir ese ruido de una manera que, en el futuro, ayudará a LIGO a detectar fuentes de ondas gravitacionales más débiles y distantes.