Físicos del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona han realizado la medición a nivel cuántico más precisa hasta la fecha, rompiendo el límite teórico establecido por Werner Heisenberg. Los investigadores usaron un haz de fotones para medir el diminuto campo magnético producido por un gas de hasta un millón de atomos de rubidio ultra-enfriados.
El límite estándar en la precisión de una medida a nivel cuántico es debido al error estadístico asociado con el cómputo de partículas discretas, en lugar de cantidades continuas. El error es del orden de la raiz cuadrada de N. Dado que el número de partículas contadas crece como N, la relación señal-ruido crece también como la raiz cuadrada de N. O dicho de otra manera, la sensibilidad en la medida. que sería la mínima señal que podría ser medida para un nivel dado de ruido, sería del orden de N-1/2.
Sin embargo, es posible mejorar esta tendencia “entrelazando” los fotones, ya que esto correlaciona lo que de otra manera serían fuentes independientes de ruido. Este “entrelazamiento cuántico” permite que las medidas se acerquen al denominado “límite de Heisenberg”, lo que implica que la sensibilidad sería del orden de N-1. Hasta ahora parecía que esta dependencia representaba un límite absoluto en la sensibilidad de las mediciones cuánticas.
No obstante, ya en 2007 un grupo liderado por Carlton Caves, en la Universidad de Nuevo México (EEUU) predijo que el límite de Heisenberg podría ser traspasado introduciendo interacciones no lineales entre las partículas medidas.
En un experimento como el que nos ocupa, normalmente, el spin de cada fotón rotaría una cierta cantidad debido a la interación con el campo magnético de los átomos. Sin embargo, se usó un láser a una frecuencia tal que los fotones interactuaban también los unos con los otros además de con los átomos (interacción no lineal), de manera que la presencia de uno alteraría la manera en que un segundo de comportaría.
Estas interacciones llevaron a una precisión en la medida cuya tendencia era del orden de N-3/2 — mayor que el límite de Heisenberg —, como indican sus autores en el artículo publicado en Nature.
Esta técnica (el uso de interferómetros láser) podría orientar los próximos proyectos en busca que ondas gravitacionales.
Ver:
- Interaction-based quantum metrology showing scaling beyond the Heisenberg limit, M. Napolitano, M. Koschorreck, B. Dubost, N. Behbood, R. J. Sewell & M. W. Mitchell, Nature 471, 486-489 (24 March 2011) doi:10.1038/nature09778, Received 31 July 2010, Accepted 15 December 2010, Published online 23 March 2011
- Best-ever quantum measurement breaks Heisenberg limit, 23 March 2011 by Mark Buchanan, New Scientist Physics & Math
- Quantum probe beats Heisenberg limit, Physics World
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