Mediante el uso de una red cuántica, científicos de la Universidad de Sidney y de otras universidades australianas han encontrado una forma ingeniosa de medir simultáneamente el momento y la posición sin violar el principio de incertidumbre de Heisenberg.
En mecánica cuántica, las partículas no tienen propiedades fijas como los objetos cotidianos, sino un abanico de posibilidades hasta que se miden. Y cuando se miden ciertas propiedades, otras se vuelven inciertas. Según la incertidumbre de Heisenberg, no es posible conocer la posición exacta de una partícula y su momento exacto al mismo tiempo.
Los físicos australianos han demostrado que, al centrarse en diferentes cantidades, conocidas como observables modulares, pueden medir simultáneamente la posición y el momento.
El estudio, publicado en Science, señala que fue esencial, en lugar de medir el momento y la posición directamente, medir el momento y la posición modulares, que capturan los desplazamientos relativos de estas cantidades dentro de una escala fija, en lugar de sus valores absolutos.
Este tipo de medición es importante en la detección cuántica porque el objetivo suele ser detectar cambios minúsculos causados por fuerzas o campos débiles. La detección cuántica se utiliza para captar señales que los instrumentos ordinarios no suelen detectar. Ese nivel de precisión podría tener aplicación práctica en el futuro, para que las herramientas de navegación y relojes sean más fiables y más precisos.
Los investigadores analizaron en laboratorio un único ion atrapado: un átomo solitario con carga, mantenido en su lugar por campos electromagnéticos. Utilizaron láseres sintonizados para guiar al ion hacia un patrón cuántico llamado estado de cuadrícula.
En un estado de cuadrícula, la función de onda del ion se distribuye en una serie de picos uniformemente espaciados, como las marcas de una regla. La incertidumbre se concentra en los espacios entre las marcas. Usaron los picos como puntos de referencia: cuando una pequeña fuerza empuja al ion, todo el patrón de cuadrícula se desplaza ligeramente. Un pequeño desplazamiento lateral de los picos se refleja como un cambio de posición, mientras que una inclinación en el patrón de cuadrícula refleja un cambio de momento. Como la medición solo considera los cambios relativos a los picos, tanto los cambios de posición como de momento pueden leerse simultáneamente, donde entra a tallar la fuerza, que es lo que causa que el momento cambie con el tiempo y la posición. Al observar cómo se movía el patrón de la cuadrícula, los investigadores midieron el pequeño empuje que actúa sobre el ion.
La fuerza de aproximadamente 10 yoctonewtons (10-23 newtons) no es un récord mundial. Se ha superado en unas dos órdenes de magnitud, pero se utilizan cristales enormes en experimentos muy grandes y costosos y se ha podido obtener sensibilidades muy buenas utilizando un solo átomo en una trampa que no es tan compleja y, en cierto modo, escalable.
La fuerza alcanzada no es la más baja, pero evidencia que los científicos pueden obtener sensibilidades muy extremas con configuraciones muy básicas. La capacidad de detectar cambios minúsculos tiene amplias implicaciones en la ciencia y la tecnología. Los sensores cuánticos ultraprecisos podrían mejorar la navegación en lugares donde el GPS no llega, como bajo el agua, bajo tierra o en spas.
Así como los relojes atómicos revolucionaron la navegación y las telecomunicaciones, los sensores mejorados cuánticamente con una sensibilidad extrema podrían servir para industrias completamente nuevas, dijo el investigador principal Cristophe Valahu en un comunicado.
