El experimento cuántico que venció al ruido: el primer paso hacia una nueva astronomía

Un salto cuántico para ver el universo invisible

El corazón de la materia sigue envuelto en misterio. La materia oscura, que constituye aproximadamente el 84% de la masa del universo, y las ondas gravitacionales de baja frecuencia, producidas por eventos como la fusión de agujeros negros supermasivos, han permanecido esquivas para la ciencia moderna. Ahora, un equipo británico ha dado un paso de gigante para desvelarlas .

Investigadores del Imperial College London, como parte de la colaboración AION (Atom Interferometer Observatory and Network), publicaron en la revista Nature un experimento que valida, por primera vez, la técnica fundamental sobre la que se sostendrán los detectores cuánticos del futuro .

El enemigo silencioso: el ruido del láser

Para entender el logro, hay que comprender el desafío. Los científicos planean usar interferómetros atómicos de larga distancia (con brazos de 100 metros o incluso 1 kilómetro) que funcionan como reglas de precisión extrema. Estos dispositivos miden interferencias cuánticas en átomos en caída libre para detectar las minúsculas distorsiones del espacio-tiempo causadas por una onda gravitacional, o la levísima "patada" de una partícula de materia oscura .

El problema es que la "regla" que usan, un láser ultraestable, introduce su propio ruido. Este ruido de fase del láser es, en un detector de gran escala, como intentar medir el grosor de un cabello durante un terremoto: la vibración ambiental (el ruido) es millones de veces más intensa que la señal que se busca .

La solución: una resta cuántica perfecta

La técnica desarrollada por el Imperial College se basa en una idea elegante: usar dos interferómetros atómicos en lugar de uno. A este montaje se le llama gradiómetro atómico diferencial .

En el experimento, dos nubes de átomos de estroncio-87 ultrafríos se sitúan en posiciones separadas y son interrogadas por el mismo pulso de un único láser. Al ser un láser compartido, su ruido de fase es idéntico, o en "modo común", para ambos interferómetros .

El truco final es matemáticamente sencillo pero experimentalmente complejo: se compara la medición de fase de ambos interferómetros realizando una medida diferencial. El ruido común se cancela a la perfección, mientras que una señal real —como la ondulación del espacio-tiempo o la interacción de un campo de materia oscura— provoca un cambio de fase diferente en cada ubicación y sobrevive a la cancelación .

Para poner a prueba este principio al límite, los científicos deliberadamente inyectaron un ruido de fase ensordecedor, simulando las condiciones extremas de un detector de cientos de metros. El resultado fue contundente: cada interferómetro por sí solo quedó completamente inservible, pero la correlación entre ambos recuperó la señal subyacente en el Límite Cuántico Estándar (SQL, por sus siglas en inglés), el máximo de sensibilidad permitido por las leyes de la mecánica cuántica para este tipo de medición .

Este logro no es solo una curiosidad de laboratorio. Es la prueba de principio que demuestra que los grandes interferómetros atómicos planeados son viables .

De la mesa de laboratorio a los detectores del futuro: el plan AION

Este éxito es la punta de lanza del ambicioso programa AION, un proyecto nacional del Reino Unido que conecta a siete instituciones de élite, liderado por el Imperial College . El plan se estructura en cuatro fases progresivas :

1. AION-10: Un detector pionero de 10 metros de altura que se construye actualmente en el edificio Beecroft de la Universidad de Oxford. Será el primer prototipo a escala real y se espera que comience a operar en los próximos 2 a 3 años .
2. AION-100: Un detector de 100 metros que requerirá una instalación subterránea. Se están evaluando varias ubicaciones en el Reino Unido, con la ambición de tomar datos antes de 2030 .
3. AION-1000: El observatorio definitivo en tierra, con una escala de 1 kilómetro. Alcanzará una sensibilidad máxima en el rango de milihercios, una ventana de frecuencia invisible para los detectores actuales como LIGO, donde se ocultan secretos del universo primitivo y de la física de partículas .
4. Una red global: El objetivo final es conectar múltiples detectores como AION para triangular y localizar el origen de las señales en el cielo.

Una alianza transatlántica y europea

Este esfuerzo no es en solitario. El programa AION está intrínsecamente ligado a su hermano estadounidense, el experimento MAGIS-100 en el laboratorio Fermilab, cerca de Chicago .

En enero de 2024, Fermilab y las instituciones británicas formalizaron un acuerdo para colaborar en la construcción de MAGIS-100, un interferómetro atómico de 100 metros que compartirá tecnología y datos con AION. Su misión es doble: buscar materia oscura ultraligera y poner a prueba la superposición cuántica en objetos a escala macroscópica .

Y el horizonte se amplía aún más. El CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, ha mostrado un interés activo. Su grupo de estudio "Physics Beyond Colliders" (PBC) ha explorado la idoneidad de uno de los pozos de acceso al Gran Colisionador de Hadrones (LHC) para albergar un futuro interferómetro vertical de unos 100 metros. Esta posible colaboración sentaría las bases de un detector europeo de nueva generación .

Lo que está en juego: una nueva ventana al cosmos

La validación de esta técnica de cancelación de ruido no es un triunfo menor. Representa el pistoletazo de salida tecnológico para construir una red de detectores que funcionarán en una banda de frecuencia “media” (entre 0.1 Hz y 10 Hz), un territorio virgen situado entre los detectores terrestres como LIGO y el futuro detector espacial LISA .

Abrir esa ventana permitiría acceder a fenómenos cósmicos nunca antes observados: la fusión de agujeros negros de masa intermedia, las señales del Big Bang, o el susurro de partículas invisibles que componen la materia oscura. Estamos ante los primeros planos de una nueva astronomía cuántica .