El entrelazamiento cuántico mide la rotación de la Tierra como nunca antes

El experimento se representó dibujando un patrón interferométrico de fibra de Sagnac dentro de un cuadro de zoom desde una ubicación local (Viena, Austria) de la Tierra en rotación. Dos fotones indistinguibles inciden en un cubo divisor de haz, se entrelazan y luego se acoplan al interferómetro de fibra. Crédito: Marco Di Vita

Un experimento de física cuántica realizado en la Universidad de Viena ha logrado una precisión revolucionaria al medir la rotación de la Tierra utilizando fotones entrelazados.

El estudio utiliza un interferómetro óptico Sagnac mejorado que explota el entrelazamiento cuántico para detectar efectos rotacionales con una precisión sin precedentes, ofreciendo avances potenciales tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general.

Experimento cuántico pionero

Un equipo de investigadores llevó a cabo un experimento pionero en el que midieron el efecto de la rotación de la Tierra sobre fotones cuánticos entrelazados. El trabajo, dirigido por Philip Walther de la Universidad de Viena, acaba de ser publicado en la revista Avances en la ciencia. Representa un resultado significativo que amplía los límites de la sensibilidad a la rotación en sensores basados ​​en entrelazamiento, sentando potencialmente las bases para futuras exploraciones en la intersección de la mecánica cuántica y la relatividad general.

Avances en los interferómetros Sagnac

Los interferómetros ópticos de Sagnac son los dispositivos más sensibles a la rotación. Han sido fundamentales para nuestra comprensión de la física fundamental desde los primeros años del siglo pasado, ayudando a establecer la teoría de la relatividad especial de Einstein. Hoy en día, su precisión inigualable los convierte en la herramienta definitiva para medir la velocidad de rotación, limitada únicamente por los confines de la física clásica.

Interferómetro Sagnac construido con 2 kilómetros de fibras ópticas enrolladas alrededor de un marco de aluminio de 1,4 metros cuadrados. Crédito: Raffaele Silvestri

El entrelazamiento cuántico mejora la sensibilidad

Los interferómetros que utilizan entrelazamiento cuántico tienen el potencial de romper estas limitaciones. 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 vio obstaculizado por la naturaleza extremadamente delicada del entrelazamiento.

Aquí es donde el experimento de Viena marcó la diferencia. Construyeron un interferómetro Sagnac gigante de fibra óptica y mantuvieron el ruido bajo y estable durante varias horas. Esto permitió la detección de elementos enredados de calidad suficientemente alta. fotón pares que superan mil veces la precisión de rotación de los anteriores interferómetros ópticos cuánticos de Sagnac.

Técnicas innovadoras en medición cuántica

En un interferómetro de Sagnac, dos partículas que viajan en direcciones opuestas a lo largo de una trayectoria giratoria cerrada alcanzan su punto de partida en momentos diferentes. Con dos partículas entrelazadas la situación se vuelve inquietante: se comportan como una sola partícula probando ambas direcciones simultáneamente acumulando un retraso de tiempo el doble respecto al escenario en el que no hay 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, formando un interferómetro con un área efectiva de más de 700 metros cuadrados.

Superar desafíos en experimentos cuánticos

Un obstáculo importante al que se enfrentaron los investigadores fue aislar y extraer la señal de rotación constante de la Tierra. “El quid de la cuestión”, explica el autor principal Raffaele Silvestri, “estriba en establecer un punto de referencia para nuestras mediciones, donde la luz permanezca inalterada por el efecto de rotación de la Tierra. Dada nuestra incapacidad para detener la rotación de la Tierra, se nos ocurrió una solución alternativa: dividir la fibra óptica en dos carretes de igual longitud y conectarlos 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, hemos engañado a la luz haciéndole creer que está en un universo que no gira», dice Silvestri.

Confirmación de las interacciones de la mecánica cuántica y la relatividad.

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. 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 la luz, el entrelazamiento de los cuantos de luz individuales finalmente ha entrado en los mismos regímenes de sensibilidad», dice Haocun Yu, que trabajó en este experimento como Marie-Curie. Becario postdoctoral.

“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 lo largo de las curvas del espacio-tiempo», añade Philip Walther.

Referencia: “Observación experimental de la rotación de la Tierra con entrelazamiento cuántico” por Raffaele Silvestri, Haocun Yu, Teodor Strömberg, Christopher Hilweg, Robert W. Peterson y Philip Walther, 14 de junio de 2024, Avances en la ciencia.
DOI: 10.1126/sciadv.ado0215