Superan un límite cuántico fundamental

Fuente: ICFO

Científicos europeos, liderados desde el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), han detectado por primera vez señales magnéticas ultradébiles por encima del ‘límite de Heisenberg’, una barrera cuántica fundamental e infranqueable hasta ahora. El hallazgo podrá mejorar la sensibilidad de instrumentos como los que se usan en las prospecciones geológicas, la navegación por satélite o el diagnóstico por imagen en medicina.

Ilustración de medidas cuánticas. Imagen: ICFO/Napolitano et al.

“Hemos demostrado experimentalmente la superación del ‘límite de Heisenberg’, inventando una medida basada en la interacción de partículas”, explica a SINC Mario Napolitano, investigador del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO, adscrito a la Universidad Politécnica de Cataluña) y autor principal del estudio que publica hoy Nature.
Hasta ahora los científicos pensaban que la precisión de cualquier medida estaba delimitada por ese límite. Se trata de una consecuencia del ‘principio de incertidumbre’ planteado por el alemán Werner Heisenberg (indica que si se conoce la ubicación exacta de un objeto tan pequeño como un átomo, no se puede saber hacia dónde se dirige).
Ahora, los científicos han detectado por primera vez señales magnéticas ultradébiles por encima del ‘límite de Heisenberg’, “un paso adelante en la comprensión de algo fundamental para la física, además de extender la frontera entre lo que podemos saber a través de una medida y lo que será inaccesible para siempre”, según Napolitano.
Para realizar el estudio, los expertos han utilizado un interferómetro (un instrumento que usa la interferencia de las ondas de luz para medir longitudes de onda) con luz láser polarizada y átomos de rubidio. Con este mecanismo han detectado, a tiempo real, los campos magnéticos producidos en el corazón y en el cerebro.
El investigador aclara: “El problema nace al aplicar el principio de incertidumbre a un sistema hecho con muchas partículas, el instrumento con el que se hacen las medidas, para establecer el límite de su sensibilidad. Si todas las partículas actúan de forma independiente, la sensibilidad está delimitada por este límite. Si existe interacción, el límite se extiende, y es lo que hemos demostrado con nuestro trabajo”.
De la medicina a la astronomía

Grupo de investigación dirigido por Morgan Mitchell (der.) en el ICFO (M.Napolitano a la izq.). Imagen: ICFO

El hallazgo abre un abanico de aplicaciones en campos muy diferentes, basados en la medida de campos magnéticos muy débiles (magnetometría) y la obtención de instrumentos mucho más sensibles. Los autores confían en que el avance tenga buenos resultados en la diagnosis de desórdenes del corazón y sirva para desvelar nuevos datos sobre el comportamiento del cerebro.
“A largo plazo, el descubrimiento puede mejorar la resonancia magnética en medicina, la búsqueda de ondas gravitaciones en astronomía y la navegación por satélite”, subraya Napolitano.
“Los interferómetros (como los de los relojes atómicos que hacen posible los sistemas GPS y Galileo, o los ópticos -LIGO, VIRGO, GEO- que revelan las ondas gravitacionales) podrían funcionar mejor utilizando las interacción entre partículas, como hemos demostrado”, añade el científico.
Con instrumentos mucho más sensibles, además, se podrá observar mejor la Tierra y detectar en el subsuelo los cambios que causan los yacimientos minerales o de petróleo.
----------------------------------------------------------------------------------------------------

¿Cuánto de precisa puede llegar a ser una medida?

Supongamos, por ejemplo, que queremos medir la temperatura del agua caliente introduciendo un termómetro en ella. Dicho termómetro está frío y, al entrar en contacto con el agua, la enfría ligeramente. El dato obtenido sigue siendo una buena aproximación de la temperatura, pero su exactitud no llega hasta la billonésima de grado. El termómetro ha modificado casi imperceptiblemente la temperatura que estábamos midiendo.
Si queremos realizar medidas con una precisión extrema, las herramientas utilizadas tienen que ser cada vez más pequeñas, hasta alcanzar el mundo cuántico de los átomos o los fotones. Hoy en día, dichas herramientas se utilizan en instrumentos ultraprecisos, como los relojes atómicos de los satélites GPS.
En el principio de Heisenberg se encuentra la explicación fundamental de lo que ocurre en este ejemplo: una consecuencia de este principio es que nada se puede medir sin cambiarlo, ya que cuando una herramienta de medida interacciona con el objeto que se está midiendo le está transmitiendo su "incertidumbre" intrínseca. Según cómo sumen todas las incertidumbres entre herramientas y partículas se llega a un límite último en la sensibilidad.
Este límite, denominado "límite de Heisenberg", a diferencia del principio de incertidumbre está mucho menos estudiado y hace unos pocos años los físicos teóricos empezaron a cuestionarlo. En el año 2005, el investigador Alfredo Luis, de la Universidad Complutense de Madrid, trabajó en este ámbito. En el 2007, un equipo de Estados Unidos teorizó sobre lo que podría considerarse la superación del límite de Heisenberg, y el equipo del ICFO ha puesto a prueba esta teoría.
Lo que han hecho los investigadores ha sido mejorar la sensibilidad de sensores ópticos (o magnetómetros atómicos), superando la barrera establecida hasta ahora, ya que, en vez de utilizar cada uno de los fotones del láser de forma independiente, los hacen trabajar conjuntamente, con lo que han conseguido una mejora que incrementa diez veces más la sensibilidad de la medida del campo magnético, demostrando que el límite puede ser superado.
------------------------------------
Referencia bibliográfica:
M. Napolitano, M. Koschorreck, B. Dubost, N. Behbood, R. J. Sewell1 y M. W. Mitchell. “Interaction-based quantum metrology showing scaling beyond the Heisenberg limit”. Nature. 471, 24 de marzo de 2011. Doi:10.1038/nature09778.