Los investigadores de una colaboración liderada por el Reino Unido han demostrado con éxito principios clave que podrían sustentar la próxima generación de sensores cuánticos, lo que marca un hito clave en el desarrollo de sistemas de detección cuántica a gran escala.
Los hallazgos, publicados en la revista Nature, proporcionan la primera evidencia experimental de que una técnica diseñada para filtrar el ruido de fondo molesto puede funcionar eficazmente en condiciones realistas.
Se espera que este avance respalde el despliegue futuro de interferómetros atómicos avanzados que puedan investigar algunos de los mayores misterios del universo.
La investigación forma parte de la Red y Observatorio del Interferómetro Atómico (AION), una importante iniciativa del Reino Unido financiada a través del programa de Tecnologías Cuánticas para Física Fundamental de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI).
El proyecto tiene como objetivo explorar la materia oscura y construir nuevos instrumentos potentes que puedan detectar ondas gravitacionales hasta ahora inaccesibles.
Resolviendo grandes desafíos en el desarrollo de detectores cuánticos
Uno de los mayores obstáculos para los detectores cuánticos a gran escala es el ruido. Las señales asociadas con fenómenos como la materia oscura y las ondas gravitacionales son muy débiles y pueden enmascararse fácilmente por las interferencias que se producen dentro del sistema de medición.
El interferómetro atómico en el corazón del programa AION utiliza láseres para manipular átomos ultrafríos en estados de superposición cuántica.
Esto permite que los átomos ocupen efectivamente dos caminos al mismo tiempo antes de recombinarse, lo que permite a los científicos medir perturbaciones muy pequeñas con gran precisión.
Sin embargo, los láseres utilizados en estos experimentos suelen introducir un ruido de fase mucho más fuerte que la señal que los investigadores intentan detectar.
Para abordar este problema, los científicos propusieron utilizar dos interferómetros separados que funcionen a lo largo de la misma línea de base. Al comparar esas mediciones, se puede cancelar el ruido compartido y emerge la señal real.
Aunque este concepto se ha considerado durante mucho tiempo esencial para el diseño de futuros detectores cuánticos, nunca antes se había demostrado en condiciones representativas del funcionamiento del mundo real.
Obtenga resultados claros con experimentos de mesa
El equipo de investigación construyó un prototipo de sistema en el Laboratorio Imperial de Estroncio Ultrafrío utilizando dos nubes físicamente separadas de átomos de estroncio-87 ultrafríos controlados por un único láser ultraestable.
Para recrear las duras condiciones que se esperan en futuros instrumentos de referencia larga, los científicos introdujeron intencionalmente grandes cantidades de ruido adicional en el experimento.
Los resultados fueron dramáticos. Los interferómetros individuales quedaron completamente saturados de señales, dejándolos prácticamente inutilizables. Sin embargo, al comparar las mediciones de ambos dispositivos, los investigadores pudieron recuperar una señal clara, logrando un rendimiento limitado sólo por las leyes fundamentales de la física cuántica.
Luego, el equipo añadió una señal de oscilación artificial diseñada para imitar los efectos del paso de ondas gravitacionales o de campos de materia oscura. A pesar de las duras condiciones de ruido, la señal siguió siendo claramente detectable mediante un método de medición diferencial.
Construye el primer interferómetro atómico a gran escala del Reino Unido
Este avance respaldará los planes para el interferómetro atómico de 10 metros AION-10, que se instalará en el edificio Beecroft de la Universidad de Oxford. Actualmente se prevé que la recopilación de datos se realice a finales de la década.
El Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (STFC) juega un papel importante en este proyecto más allá de la supervisión del financiamiento. Su departamento técnico, junto con los expertos en física espacial y de partículas de RAL, es responsable de los principales componentes científicos y de ingeniería del instrumento.
Entre estas contribuciones se encuentra el desarrollo de la estructura de la torre detectora que soporta el equipo experimental central y los módulos asociados.
El equipo de sensores cuánticos de RAL Space también está desarrollando la fuente atómica de estroncio ultrafría necesaria para el experimento. El proceso calienta el estroncio para formar vapor, luego enfría los átomos con un láser de precisión y los confina en un entorno de vacío ultraalto.
Mientras tanto, los físicos de partículas del STFC están modelando un sistema de blindaje magnético diseñado para proteger los átomos de interferencias externas durante las mediciones.
abre una nueva ventana al universo
Esta demostración exitosa valida directamente por primera vez los conceptos centrales detrás de la tecnología de detectores cuánticos de línea de base larga y ayuda a superar uno de los obstáculos técnicos más importantes que enfrenta el campo.
AION también se vincula con esfuerzos internacionales más amplios, incluido el programa MAGIS de Fermilab y proyectos futuros propuestos en el CERN. En conjunto, estos esfuerzos tienen como objetivo extender las técnicas de interferometría atómica a distancias aún más largas.
Si tienen éxito, las futuras redes de detectores cuánticos podrían explorar frecuencias de ondas gravitacionales más allá del alcance de los observatorios existentes, al tiempo que brindarían nuevas oportunidades para explorar formas de materia previamente desconocidas.
Los científicos creen que estas técnicas podrían eventualmente revelar aspectos completamente nuevos del universo que hoy permanecen ocultos.
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