Un experimento pionero liderado por la Universidad de Viena ha permitido medir el efecto de la rotación de la Tierra sobre fotones cuánticos entrelazados.
El trabajo, publicado en Science Advances, representa un logro significativo que supera los límites de la sensibilidad de 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 de 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, ayudando a establecer la teoría especial de la relatividad de Einstein. Hoy en día, su precisión incomparable los convierte en la herramienta definitiva para medir velocidades de rotación, limitadas únicamente 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, sólo 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 prometido salto cuántico 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 gigante de fibra óptica 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 mil veces la precisión rotacional de los interferómetros ópticos cuánticos de Sagnac anteriores.
En un interferómetro de Sagnac, dos partículas que viajan en direcciones opuestas a lo largo de una trayectoria cerrada giratoria llegan al punto de partida en momentos diferentes. Con dos partículas entrelazadas, las cosas se vuelven “fantasmales”: se comportan como una sola partícula que prueba ambas direcciones simultáneamente mientras acumulan el doble de retraso de tiempo en comparación con el escenario sin entrelazamiento.
Esta propiedad única se conoce como superresolución. En el experimento real, dos fotones entrelazados se propagaron dentro de una fibra óptica de 2 kilómetros de largo enrollada en una enorme bobina, dando como resultado 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 meollo de la cuestión reside en establecer un punto de referencia para nuestras mediciones, 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 encender y apagar 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 haciéndole creer que está en un universo que no gira”, dice Silvestri en un comunicado.
El experimento, que se llevó a cabo como parte de la red de investigación TURIS patrocinada por la Universidad de Viena y la Academia de Ciencias de Austria, observó con éxito el efecto de la rotación de la Tierra en un estado de entrelazamiento máximo de dos fotones. Esto confirma la interacción entre los sistemas de referencia giratorios y el entrelazamiento cuántico, tal como se describe en la teoría especial de la relatividad y la mecánica cuántica de Einstein, con una precisión mil veces mayor en comparación con experimentos anteriores.
“Esto representa un hito importante ya que, un siglo después de la primera observación de la rotación de la Tierra con luz, el entrelazamiento de un solo fotón finalmente entró en los mismos regímenes de sensibilidad”, dice Haocun Yu, quien trabajó en este experimento como becario postdoctoral Marie-Curie.
“Creo que nuestro resultado y nuestra metodología sentarán las bases para futuras mejoras en la sensibilidad de rotación de los sensores basados en entrelazamientos. Esto podría allanar el camino para futuros experimentos que prueben el comportamiento del entrelazamiento cuántico a través de curvas espacio-temporales”. , añade Philip Walther.
