Ciencias

El entrelazamiento cuántico reacciona al giro de la Tierra

Recientemente se publicó en Science Advances un experimento innovador dirigido por Philip Walther y su equipo en la Universidad de Viena. El estudio midió el impacto de la rotación de la Tierra sobre los fotones cuánticos entrelazados, lo que demuestra un avance significativo en la sensibilidad de la rotación de los sensores basados ​​en entrelazamiento. Este logro tiene el potencial de allanar el camino para una mayor exploración en la intersección de la mecánica cuántica y la relatividad general.

Los interferómetros ópticos de Sagnac son los dispositivos más sensibles para medir rotaciones y han desempeñado un papel vital en el avance de nuestra comprensión de la física fundamental. Desde principios del siglo XX, estos dispositivos han contribuido al establecimiento de 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, superando los límites de la física clásica.

Los interferómetros que utilizan entrelazamiento cuántico son la clave para superar las limitaciones actuales. Cuando las partículas se entrelazan, los estados individuales de las partículas permanecen indeterminados hasta la medición, lo que permite obtener más información por medición. Sin embargo, aprovechar este potencial ha sido un desafío debido a la delicada naturaleza del entrelazamiento.

El experimento de Viena superó este obstáculo construyendo un gran interferómetro Sagnac de fibra óptica con niveles de ruido bajos y estables durante largos períodos. Esta innovación permitió la detección de pares de fotones entrelazados de alta calidad, superando mil veces la precisión de los interferómetros ópticos cuánticos de Sagnac anteriores.

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El experimento se representó dibujando un esquema interferométrico de fibra de Sagnac dentro de una lupa desde una posición local (Viena, Austria) de la Tierra en rotación.  Dos fotones indistinguibles caen sobre un cubo divisor de haz, se crea un entrelazamiento entre ellos y luego se acoplan al interferómetro de fibra.
El experimento se representó dibujando un esquema interferométrico de fibra de Sagnac dentro de una lupa desde una posición local (Viena, Austria) de la Tierra en rotación. Dos fotones indistinguibles inciden en un cubo divisor de haz, se crea un entrelazamiento entre ellos y luego se acoplan al interferómetro de fibra. Crédito: Marco Di Vita

En un interferómetro de Sagnac, el comportamiento de las partículas entrelazadas es realmente fascinante. Cuando dos partículas viajan en direcciones opuestas en una trayectoria giratoria cerrada, alcanzan el punto de partida en momentos diferentes.

Sin embargo, cuando las partículas están entrelazadas, parecen exhibir una propiedad misteriosa en la que actúan como una sola partícula explorando ambas direcciones simultáneamente, lo que resulta en un retraso de tiempo dos veces mayor que cuando no están entrelazadas. Este fenómeno, conocido como superresolución, tiene implicaciones importantes.

En un experimento reciente, los investigadores utilizaron una fibra óptica de 2 kilómetros de largo enrollada alrededor de una bobina grande para crear un área de interferómetro efectiva de más de 700 metros cuadrados para dos fotones entrelazados. Esta configuración permitió la exploración de las propiedades únicas de las partículas entrelazadas en el contexto de la interferometría de Sagnac.

A pesar de las fascinantes perspectivas, aislar y extraer la señal de la rotación constante de la Tierra representó un gran desafío para los investigadores.

“El quid de la cuestión” explica autor principal Raffaele Silvestri, “El objetivo es 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”.. 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 engañamos a la luz haciéndole creer que está en un universo que no gira». dice Silvestri.

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El experimento realizado como parte de la red de investigación TURIS organizada 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 dos fotones máximamente entrelazados, confirmando la interacción entre los sistemas de referencia giratorios y los sistemas cuánticos. enredo. El resultado proporciona una precisión mil veces mayor en comparación con experimentos anteriores y está en consonancia con la teoría de la relatividad especial y la mecánica cuántica de Einstein.

«Esto representa un hito importante ya que, un siglo después de la primera observación de la rotación de la Tierra con la luz, la maraña de cuantos de luz individuales 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 metodología sentarán las bases para futuras mejoras en la sensibilidad rotacional de los sensores basados ​​en entrelazamiento. Esto podría allanar el camino para futuros experimentos que prueben el comportamiento del entrelazamiento cuántico a través de curvas de espacio-tiempo”.añade Philip Walther.

Referencia del diario:

  1. Raffaele Silvestri, Haocun Yu, Teodor Strömberg, Christopher Hilweg, Robert W. Peterson, Philip Walther. Observación experimental de la rotación de la Tierra con entrelazamiento cuántico. Avances científicos, 2024; DUELE: 10.1126/sciadv.ado0215

Prudencia Febo

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