Columna Emol: "Luz comprimidas y sus aplicaciones: cómo se alcanzan las mediciones más precisas", por Jerónimo Maze

En 1927 Heisenberg enunciaba el principio de incerteza: no es posible conocer la posición y velocidad de una partícula con absoluta precisión a la vez, lo que aparentemente impone una limitación sobre el conocimiento accesible en cualquier medición. Sin embargo, actualmente científicos han podido superar esta barrera y realizar medidas con una precisión sin precedentes, entre ellas, la detección de ondas gravitacionales.

El observatorio de ondas gravitacionales mediante interferometría láser (LIGO) es capaz de comparar el tiempo de vuelo de dos haces de luz que viajan perpendicularmente entre sí, y que son reflejados por espejos que se encuentran a más de 4 kilómetros de distancia. Puede detectar cambios de distancia tan pequeños como un décimo de milésima de un protón entre sus espejos: esto equivale a estimar la distancia entre nuestro sol y la estrella más cercana con la precisión de un cabello humano.

Esta sensitividad permite a LIGO detectar cambios minúsculos en distancia como los provocados por colisiones entre agujeros negros que ocurren a más de un billón de años luz de distancia. Para esto LIGO debe sortear varios desafíos tanto de la ingeniería como de carácter fundamental.

Dentro de los desafíos fundamentales, una de las principales limitantes en LIGO es el ruido cuántico. De acuerdo con la mecánica cuántica, la luz está compuesta por pequeñas partículas llamadas fotones. En los interferómetros ópticos existen fotones que vienen y salen de nuestro mundo (se crean y destruyen constantemente). Estos introducen ruido en los detectores, impidiendo a los científicos distinguir con precisión la señal gravitacional del ruido. Sin embargo, y aunque parezca increíble, es posible mejorar la capacidad de detección cambiando la forma de este ruido mediante luz comprimida.

¿Qué es la luz comprimida?

Para ilustrar este concepto imaginemos que cada fotón detectado en LIGO es como una gota de agua golpeando nuestro techo. La detección de luz sin comprimir se asemeja a las gotas de agua golpeando nuestro techo en un día lluvioso. El tiempo en que cada gota golpea nuestro techo es aleatorio impidiéndonos decir cuantas gotas golpean el techo cada segundo con precisión.

Existen varias formas de luz comprimida. Una, por ejemplo, corresponde a la situación en que todas las gotas del día lluvioso golpean el techo al mismo tiempo y no de forma aleatoria. Este caso, además de dejarnos sin techo, corresponde a la luz comprimida en fase. Esta forma de llover (o forma de luz), tiene la desventaja que el número de gotas varía mucho de un momento a otro.

Otra forma de luz comprimida, por el contrario, corresponde a la situación en que el tiempo entre gota y gota es siempre el mismo y corresponde al caso de luz comprimida en amplitud. Sería como si todas las gotas en un día lluvioso se coordinaran y cayeran una tras otra de manera ordenada. En este caso es posible decir con precisión cuantas gotas recibimos por segundo.

La luz comprimida en amplitud, lograda por primera vez en la década de 1980 e incorporada en LIGO desde el 2019, ha permitido disminuir el ruido y aumentar la detección de ondas gravitacionales asociadas a colisiones de objetos supermasivos como agujeros negros y estrellas de neutrones, de un evento por mes a un evento por semana.

Sin embargo, aunque esto parezca simple, no es posible comprimir la luz como se nos plazca, por ejemplo, en fase y amplitud a la vez. Las incertezas en fase y amplitud también satisfacen el principio de incertidumbre de Heisenberg. Comprimir la luz en amplitud (reducir su incerteza en amplitud), implica descomprimirla en fase (aumentar la incerteza en fase), y viceversa, de la misma manera que el principio de incertidumbre de Heisenberg no nos permite conocer la posición y velocidad de una partícula con absoluta precisión.

Por otro lado, es difícil mantener estos estados comprimidos y son sumamente delicados a imperfecciones o pérdidas de luz perdiendo su capacidad comprimida. Volviendo a nuestra analogía, si existen goteras (un pájaro vuela capturando gotas de lluvia antes de que lleguen al techo) o gotas provenientes de otras fuentes de agua (el riego automático del vecino sigue funcionando en los días lluviosos), el ruido aumenta.

Otras aplicaciones

La luz comprimida no solo es utilizada para la detección de ondas gravitacionales, y cuenta con aplicaciones en magnetometría o, incluso, en biología. En mediciones biológicas que utilizan láseres, se debe tener mucho cuidado para no sobrecalentar la muestra. Fluctuaciones en la intensidad de la luz podrían quemar el tejido celular. En estos casos, la luz comprimida en amplitud permite suministrar una intensidad de luz constante y evitar que los tejidos biológicos se dañen debido a fluctuaciones en intensidad.

Y en magnetometría de alta precisión, permite medir campos magnéticos millones de millones de veces más pequeño que el campo magnético de la Tierra, permitiendo diversas medidas como la magneto encefalografía, que permite registrar la actividad cerebral de manera no invasiva midiendo los campos magnéticos que producen las estructuras cerebrales.

Fuente: emol.cl