Un equipo de investigadores dirigido por Philip Walther de la Universidad de Viena llevó a cabo un experimento pionero en el que midieron el efecto de la rotación de la Tierra sobre fotones cuánticos entrelazados. El trabajo, recién publicado en Avances científicosrepresenta un logro significativo que amplía los límites de la sensibilidad a la rotación en sensores basados en entrelazamiento, preparando potencialmente el escenario para una mayor exploración en la intersección entre la mecánica cuántica y la relatividad general.
Los interferómetros ópticos de Sagnac son los dispositivos más sensibles a las rotaciones. Han sido fundamentales en nuestra comprensión de la física fundamental desde los primeros años del siglo pasado, contribuyendo a establecer 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, limitada únicamente por los límites de la física clásica.
Los interferómetros que emplean entrelazamiento cuántico tienen el potencial de romper esos límites. 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 ha visto 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 suficientes pares de fotones entrelazados de alta calidad como para superar mil veces la precisión de rotación de los interferómetros ópticos cuánticos de Sagnac anteriores.
En un interferómetro de Sagnac, dos partículas que viajan en direcciones opuestas a lo largo de una trayectoria cerrada giratoria llegan al punto de partida en momentos diferentes. Con dos partículas entrelazadas, la cosa se vuelve espeluznante: se comportan como una sola partícula probando ambas direcciones simultáneamente mientras acumulan el doble de retraso de tiempo en comparación con el escenario donde no hay entrelazamiento. Esta propiedad única se conoce como superresolución. En el experimento real, dos fotones entrelazados se propagaban dentro de una fibra óptica de 2 kilómetros de largo enrollada en una enorme bobina, creando un interferómetro con un área efectiva de más de 700 metros cuadrados.
Un obstáculo importante al que se enfrentaron los investigadores fue aislar y extraer la señal de rotación constante de la Tierra. «El meollo del asunto», explica el autor principal Raffaele Silvestri, «consiste en establecer un punto de referencia para nuestra medición, donde la luz no se vea afectada por el efecto rotacional de la Tierra. Dada nuestra incapacidad para detener el giro de la Tierra, ideamos una solución alternativa: dividir el fibra óptica en dos bobinas de igual longitud y conectándolas 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.
El experimento, que se llevó a cabo 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 que en 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 individuales de luz finalmente ha entrado en los mismos regímenes de sensibilidad», afirma 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 entrelazamiento. Esto podría abrir el camino para futuros experimentos que prueben el comportamiento del entrelazamiento cuántico a través de las curvas del espacio-tiempo», añade Philip Walther.
