detección con luz comprimida cuántica

Al canario no se lo llevaba a la mina por su canto. El pájaro caía de la percha antes de que el minero notara el monóxido de carbono. En el vacío ultraalto, el papel del canario lo desempeña una nube de cien mil átomos de litio o rubidio.

Un puñado de piedritas cae en un estanque: de cada una se expanden círculos. Si las piedras son diferentes, los círculos también lo serán: unos nítidos, otros suaves. Pero cuando miras el agua desde lejos y solo ves una pequeña parte de la ondulación, todas esas diferencias se difuminan.

Estás escuchando un lejano susurro de las estrellas, y a tu lado alguien no deja de mover una silla. En los telescopios de ondas gravitacionales, ese papel lo desempeña la luz dispersa: se refleja en superficies vibrantes y crea señales falsas.

Un láser es como un diapasón que suena en una sola nota. Pero incluso en el silencio absoluto, su sonido tiembla un poco. Antes se creía que ese temblor —los empujones aleatorios debidos a la emisión espontánea de luz por los átomos dentro del láser— era el límite principal de precisión.

La onda luminosa nunca es perfectamente lisa: la agita continuamente un rizado cuántico. Estos tirones casi invisibles fueron estudiados por el premio Nobel Roy Glauber, quien sentó las bases de la óptica cuántica. Ahora los físicos han aprendido a congelar este rizado.

Un rayo láser en un túnel de varios kilómetros tiembla al paso de una onda gravitacional, pero tiembla de forma apenas perceptible, en fracciones del diámetro de un protón. Para escuchar ese susurro del cosmos, los físicos exprimen de la luz todo lo que pueden.

Un láser no es solo luz. Si haces que una partícula oscile como un péndulo y esas oscilaciones se autoalimentan, obtienes un láser fonónico. Suena complicado, pero la idea es simple: en lugar de ondas de luz, el dispositivo emite ondas mecánicas regulares: fonones. En el nuevo trabajo, ese "péndulo" es un único ion de calcio atrapado en una trampa electromagnética.

Los observatorios de ondas gravitacionales se asemejan a un oído atento que escucha los lejanos retumbos de catástrofes cósmicas. Para percibir el débil susurro de los agujeros negros en fusión, los detectores de ondas gravitacionales utilizan luz especialmente preparada, denominada vacío comprimido.

Un visitante extraño apareció en un destello instantáneo. Un haz de fotones impactó contra un núcleo de deuterio (hidrógeno pesado) y, en la cascada de partículas generadas, los detectores notaron algo inusual. Con cierta combinación de masas y momentos, la señal se intensificaba bruscamente, como si por un instante hubiera surgido una nueva partícula.

Cualquier instrumento de medición se ve afectado por el ruido cuántico — el temblor caótico de las partículas elementales. Para dominarlo, los físicos aplicaron a moléculas de fluoruro de calcio un truco similar a apretar un globo: presionas en un lugar y sobresale en otro.

Incluso en completo reposo, los átomos emiten un leve ruido: una inevitable vibración cuántica. En el debate entre Einstein y Bohr, este ruido, como un susurro incansable, difumina las franjas de interferencia de una rendija atómica. Superar ese límite se consideraba imposible.

Una orquesta donde cada músico toca su propia parte y juntos crean una melodía compleja: así se ve una nube de átomos cuyos espines (rotaciones intrínsecas, como diminutas peonzas) oscilan de manera coordinada. Normalmente, estas peonzas se comportan de forma independiente.

Los detectores de ondas gravitacionales son micrófonos que escuchan el temblor del espacio. Pero su propio ruido ahoga las señales débiles. Para oír más, los físicos añaden al instrumento una luz "comprimida" especial: reduce las interferencias cuánticas, como la cancelación de ruido en los auriculares.

Una piedra lanzada cae con aceleración, y por el tiempo de caída se puede calcular la fuerza de gravedad. Los científicos repiten este experimento con una nube de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. Esa nube cae en una cámara de vacío, y los pulsos láser dividen sus ondas, como la luz en un interferómetro.

En una habitación oscura parpadea una lámpara invisible. Su luz no se parece a la habitual: no tiene un brillo constante, solo ráfagas raras pero potentes. Esto es un vacío comprimido brillante: un estado de la luz en el que no hay una onda ordinaria, pero sí fuertes fluctuaciones cuánticas. Con esa luz, los físicos bombardearon átomos de xenón.

La luz infrarroja no es visible al ojo, pero está en todas partes: desde el mando del televisor hasta el calor del cuerpo humano. Para capturarla se necesitan materiales especiales. Los detectores comunes son voluminosos, rígidos y no se ajustan bien a la longitud de onda deseada.

Un rayo láser se parece a una cuerda tensa: incluso en el silencio total, vibra de forma casi imperceptible. Esa vibración es el ruido cuántico, y estorba a la hora de hacer mediciones ultraprecisas.

En el microcosmos siempre hay ruido. Incluso en el vacío absoluto algo tiembla, y estas fluctuaciones cuánticas interfieren con las mediciones precisas. Pero el ruido se puede «comprimir», como un globo inflable: si lo aprietas por los lados, un lado se adelgaza mientras el otro se hincha.

Una mota de polvo de vidrio flota en un rayo láser. La empujan moléculas de aire, fotones, incluso la gravedad de la Tierra, y por su vibración se puede saber qué la empujó. Pero toda medición tiene un límite: el ruido propio de la partícula impide ver una señal débil.

La luz en un microscopio no llega como un flujo uniforme, sino como perdigones de una bolsa: a veces más fotones, a veces menos. Ese vaivén aleatorio es el ruido de disparo. Y pone un límite: las señales débiles de objetos diminutos se hunden en esa ondulación. Los científicos han encontrado la manera de calmar esa lluvia.

Incluso en un rayo láser hay un temblor invisible: el ruido cuántico. Los físicos han aprendido a «comprimirlo», como un globo apretado por la cintura: el ruido se atenúa en una dirección pero se amplifica en otra. Los científicos escondieron el ruido sobrante donde no interfiera con las mediciones precisas de luz.

La luz ordinaria es un flujo de fotones que viajan al azar: unos más, otros menos, y en ese caos se pierde la precisión de las mediciones. Los físicos han aprendido a "peinar" ese flujo creando luz comprimida, donde el ruido de una característica se reduce por debajo del vacío. Es como tensar una cuerda: sigue vibrando, pero ya no se tambalea.

El gato de Schrödinger suele esconderse en experimentos mentales, vivo y muerto a la vez. Esta vez lo atraparon en el laboratorio: se hizo que un pulso de luz estuviera en dos estados opuestos a la vez, como una moneda suspendida en el aire mostrando cara y cruz al mismo tiempo.

La luz normal siempre tiembla un poco: su brillo y color fluctúan, como el aire en un globo inflado después de un golpe. En la luz «comprimida», estas fluctuaciones se redistribuyen, como si se apretara el globo por un lado, haciéndolo más delgado aquí y más grueso allí, pero el volumen total es el mismo. Así se sacrifica precisión en un aspecto para ganar en otro.

La materia oscura constituye el 85% de la materia del Universo, pero permanece invisible. Solo se manifiesta a través de la gravedad. Se puede detectar por el "sonido" cósmico: una vibración tenue que impregna el espacio. Un detector solitario es impotente aquí: la señal es demasiado débil. Los físicos convierten muchos sensores en un conjunto cuántico.