Físicos encuentran una laguna en el principio de incertidumbre de Heisenberg sin romperlo. En la mecánica cuántica, las partículas no tienen propiedades fijas como los objetos cotidianos. En cambio, existen en un abanico de posibilidades hasta que se miden. Y cuando se miden ciertas propiedades, otras se vuelven inciertas. Según la incertidumbre de Heisenberg, no es posible conocer la posición exacta de una partícula y su momento exacto al mismo tiempo.
Pero un nuevo estudio ha mostrado una ingeniosa escapatoria a esta restricción. Físicos australianos han demostrado que, al centrarse en diferentes cantidades, conocidas como observables modulares, pueden medir simultáneamente la posición y el momento.
“No se puede violar el principio de incertidumbre de Heisenberg”, declaró a Live Science Christophe Valahu, físico de la Universidad de Sídney y autor principal del estudio. “Lo que hacemos es desplazar la incertidumbre. Descartamos información que no necesitamos para poder medir lo que sí nos importa con mucha mayor precisión”. La clave para Valahu y su equipo residía en, en lugar de medir el momento y la posición directamente, medir el momento y la posición modulares, que capturan los desplazamientos relativos de estas magnitudes dentro de una escala fija, en lugar de sus valores absolutos.
“Imagina que tienes una regla. Si sólo mides la posición de algo, lees cuántos centímetros hay hacia adentro y cuántos milímetros hacia afuera”, dijo Valahu. “Pero en una medición modular, no importa en qué centímetro te encuentras. Solo importa cuántos milímetros te separan de la última marca. Se descarta la ubicación general y solo se registran los pequeños desplazamientos”.
Valahu explicó que este tipo de medición es importante en la detección cuántica porque el objetivo suele ser detectar desplazamientos minúsculos causados por fuerzas o campos débiles. La detección cuántica se utiliza para captar señales que los instrumentos ordinarios suelen pasar por alto. Ese nivel de precisión podría algún día hacer que nuestras herramientas de navegación sean más fiables y nuestros relojes aún más precisos. En el laboratorio, el equipo se centró en un solo ion atrapado: un átomo solitario con carga, mantenido en su lugar por campos electromagnéticos. Utilizaron láseres sintonizados para persuadir al ion a adoptar un patrón cuántico denominado estado de cuadrícula.
En un estado de cuadrícula, la función de onda del ion se distribuye en una serie de picos uniformemente espaciados, como las marcas de una regla. La incertidumbre se concentra en los espacios entre las marcas. Los investigadores utilizaron los picos como puntos de referencia: cuando una pequeña fuerza empuja al ion, todo el patrón de cuadrícula se desplaza ligeramente. Un pequeño desplazamiento lateral de los picos se manifiesta como un cambio de posición, mientras que una inclinación en el patrón de cuadrícula refleja un cambio de momento.
Dado que la medición solo considera los cambios relativos a los picos, tanto los cambios de posición como de momento pueden leerse simultáneamente. Aquí es donde entra en juego la fuerza. En física, una fuerza es lo que provoca que el momento cambie con el tiempo y la posición. Observando cómo se movía el patrón de cuadrícula, los investigadores midieron el pequeño empuje que actúa sobre el ion. La fuerza de aproximadamente 10 yoctonewtons (10⁻²³ newtons) no es un récord mundial. “Se ha superado en aproximadamente dos órdenes de magnitud, pero se utilizan cristales enormes en experimentos muy grandes y costosos”, declaró Valahu a Live Science. “Estamos entusiasmados porque podemos obtener sensibilidades realmente buenas utilizando un solo átomo en una trampa que no es tan compleja y, en cierta medida, escalable”.
Aunque la fuerza alcanzada no es la más baja, demuestra que los científicos pueden lograr sensibilidades muy extremas con configuraciones muy básicas. La capacidad de detectar cambios minúsculos tiene amplias implicaciones en la ciencia y la tecnología. Los sensores cuánticos ultraprecisos podrían mejorar la navegación en lugares donde el GPS no llega, como bajo el agua, bajo tierra o en el espacio. También podrían mejorar la imagenología biológica y médica.
“Al igual que los relojes atómicos revolucionaron la navegación y las telecomunicaciones, los sensores cuánticos mejorados con una sensibilidad extrema podrían abrir la puerta a industrias completamente nuevas”, declaró Valahu.
Fuente: Live Science.