Una técnica para eludir el principio de incertidumbre de Heisenberg

Los sensores de última generación, como los escáneres de imagen por resonancia magnética (IRM) y los relojes atómicos, son capaces de realizar mediciones con muy alta precisión. La IRM se utiliza para obtener imagénes de tejidos profundos dentro del cuerpo humano y detectar si se padece una enfermedad, mientras que los relojes atómicos son cronómetros muy precisos utilizados para el GPS, la sincronización de internet, o incluso para estudios interferometrícos en radioastronomía.

Se podría pensar que estos dos instrumentos no tienen nada en común, pero ambas tecnologías se basan en la medición precisa del spin del átomo, el movimiento giroscópico de los electrones y el núcleo. Respecto a escáneres de IRM, por ejemplo, el ángulo de orientación del spin proporciona información sobre dónde se encuentra el átomo en el cuerpo, mientras que la cantidad de spin (la amplitud) se utiliza para distinguir diferentes tipos de tejido. Combinando ambos parámetros, la imagen por resonancia magnética permite obtener un mapa en 3D de los tejidos en el cuerpo.

Durante mucho tiempo, se creyó que la precisión en estas mediciones estaba limitada por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que medir con precisión una propiedad de un átomo fija un límite a la precisión de medición que se puede obtener en otra de sus propiedades. Por ejemplo, si medimos la posición de un electrón con alta precisión, el principio de Heisenberg limita la precisión en la medición de su momento, es decir, su velocidad.

Evolución de un spin y su incertidumbre al orbitar debido a un campo magnético. La incertidumbre, inicialmente igual en todas las direcciones, se comprime en las dos componentes en el plano permitiendo mediciones de alta precisión. / ICFO

Dado que la mayoría de los instrumentos atómicos miden dos propiedades (amplitud y ángulo del spin), el principio parece indicar que las mediciones siempre contendrán cierta incertidumbre cuántica. Sin embargo, esta condición asumida desde hace tiempo ha sido refutada por los investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet y Robert J. Sewell, dirigidos por el profesor ICREA del ICFO Morgan W. Mitchell. Su estudio se publica esta semana en la revista Nature, donde describen cómo un instrumento bien diseñado puede circunvalar casi por completo la incertidumbre cuántica.

El truco del spin

El 'truco' consiste en darse cuenta de que el spin no tiene uno, sino dos ángulos que lo describen, uno para la dirección norte-este-sur-oeste y el otro para determinar la elevación por encima del horizonte. El equipo ha demostrado cómo trasladar casi toda la incertidumbre al ángulo que no es medido por el instrumento. De esta manera, lograron obedecer la exigencia del principio de incertidumbre de Heisenberg, pero ocultaron la incertidumbre en uno de los parametros que no podía hacer 'daño'. Como resultado, fueron capaces de obtener una medida de amplitud angular con una precisión sin precedentes, sin ser afectada por la incertidumbre cuántica.

El profesor Mitchell usa una sólida analogía y explica: "Para los científicos, el principio de incertidumbre es muy frustrante, ya que nos gustaría saberlo todo, pero Heisenberg dice que no podemos. En este caso, sin embargo, encontramos una manera de saber todo lo que nos importa. Es como la canción de los Rolling Stones: No siempre puedes conseguir lo que quieres/ pero si lo intentas a veces quizás encontrarás/ obtienes lo que necesitas".

En su estudio, los investigadores enfriaron una nube de átomos a unos pocos microgrados Kelvin, aplicaron un campo magnético para producir movimiento de los spins, como sucede en la IRM, e iluminaron la nube con un láser para medir la orientación de spins atómicos. Así observaron que tanto el ángulo de spin como su amplitud pueden ser monitoreados continuamente con una precisión más allá de los límites previamente esperados, aunque continúan obedeciendo el principio de Heisenberg.

En cuanto a los desafíos que se enfrentaron durante el experimento, Colangelo comenta: "Primero tuvimos que desarrollar un modelo teórico para ver si lo que queríamos hacer era realmente posible. Luego, no todas las tecnologías que utilizamos para el experimento existían cuando empezamos. Entre ellos, tuvimos que diseñar y desarrollar un detector particular que fuera lo suficientemente rápido y generará muy poco ruido. También tuvimos que mejorar mucho la forma en que estábamos 'preparando' los átomos y encontrar una manera de usar eficientemente todo el rango dinámico que teníamos en el detector. Fue una batalla contra el lado oscuro de la cuántica, ¡pero lo conseguimos!".

Según los autores, los resultados del estudio son de suma importancia ya que esta nueva técnica muestra que es posible obtener mediciones aún más precisas de los spins atómicos. Esto abre una nueva vía para desarrollar instrumentos mucho más precisos, permitiendo la detección de señales, como las ondas gravitacionales o la actividad cerebral, con una precisión sin precedentes.