FÍSICA CUÁNTICA

Logran eludir el Principio de incertidumbre de Heisenberg

Científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han descubierto una nueva técnica que podría mejorar considerablemente la precisión de instrumentos como los escáners de imagen por resonancia magnética (IRM) o los relojes atómicos.

<p>Captura de pantalla de la página web del ICFO </p>

Captura de pantalla de la página web del ICFO

El estudio, que publica la revista Nature, utiliza una técnica que consigue eludir el principio de incertidumbre de Heisenberg, uno de los principios de la física cuántica.

La nueva técnica oculta la incertidumbre cuántica en ciertos parámetros atómicos que no son vistos por el instrumento, lo que permite realizar mediciones “extremadamente precisas y sin precedentes”, ha explicado el profesor del ICFO Morgan W. Mitchell, que ha dirigido la investigación.

Según Mitchell, los sensores de última generación, como los escáners de imagen por resonancia magnética y los relojes atómicos son capaces de hacer mediciones con muy alta precisión.

La IRM se utiliza para obtener imágenes de tejidos profundos dentro del cuerpo humano e indica si hay alguna enfermedad, mientras que los relojes atómicos son cronómetros muy precisos utilizados para el GPS, la sincronización de Internet, o incluso para interferometría de larga base en radioastronomía.

Ambas tecnologías se basan en la medición precisa del ‘spin’ del átomo, el movimiento giroscópico de los electrones y el núcleo, es decir, en la mecánica cuántica.

La incertidumbre de Heisenberg

Mitchell ha recordado que 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.

Como la mayoría de 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 ICFO Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet y Robert J. Sewell, dirigidos por Mitchell en un estudio en el que describen cómo un instrumento bien diseñado puede circunvalar la incertidumbre cuántica.

Según Mitchell, 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.

Pura Física Cuántica

El equipo de ICFO ha demostrado cómo trasladar casi toda la incertidumbre al ángulo que no es medido por el instrumento, con lo que lograron obedecer la exigencia del principio de incertidumbre de Heisenberg, pero ocultaron la incertidumbre en uno de los parámetros que no “podía hacer daño”.

Representación de la esfera de Poincaré de la luz presionada por la polarización. ICFO

Representación de la esfera de Poincaré de la luz presionada por la polarización. ICFO

Como resultado, han sido capaces de obtener una medida de amplitud angular con una precisión sin precedentes, sin ser afectada por la incertidumbre cuántica.

Mitchell ha afirmado que “para los científicos, el principio de incertidumbre es muy frustrante. 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”.

En su estudio, el equipo ICFO enfrió una nube de átomos a unos pocos micro-grados Kelvin, aplicó un campo magnético para producir movimiento de los spins, como sucede en la IRM, e iluminó la nube con un láser para medir la orientación de spins atómicos.

Entonces, observaron que tanto el ángulo de spin como su amplitud pueden ser monitoreados continuamente con una precisión más allá de los límites previamente esperados.

Colangelo ha subrayado que para llevar a cabo su experimento tuvieron que desarrollar un modelo teórico para ver si lo que querían hacer era realmente posible y no todas las tecnologías que utilizaron para el experimento existían cuando empezaron, por lo que tuvieron que “diseñar y desarrollar un detector particular que fuera lo suficientemente rápido y generará muy poco ruido”.

Según el ICFO, con esta nueva técnica es posible obtener mediciones atómicas aún más precisas, lo que abre una nueva vía para desarrollar instrumentos mucho más precisos para detectar de señales, como las ondas gravitacionales o la actividad cerebral. EFE

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Publicado en: Ciencia

El estudio, que publica la revista Nature, utiliza una técnica que consigue eludir el principio de incertidumbre de Heisenberg, uno de los principios de la física cuántica.

La nueva técnica oculta la incertidumbre cuántica en ciertos parámetros atómicos que no son vistos por el instrumento, lo que permite realizar mediciones “extremadamente precisas y sin precedentes”, ha explicado el profesor del ICFO Morgan W. Mitchell, que ha dirigido la investigación.

Según Mitchell, los sensores de última generación, como los escáners de imagen por resonancia magnética y los relojes atómicos son capaces de hacer mediciones con muy alta precisión.

La IRM se utiliza para obtener imágenes de tejidos profundos dentro del cuerpo humano e indica si hay alguna enfermedad, mientras que los relojes atómicos son cronómetros muy precisos utilizados para el GPS, la sincronización de Internet, o incluso para interferometría de larga base en radioastronomía.

Ambas tecnologías se basan en la medición precisa del ‘spin’ del átomo, el movimiento giroscópico de los electrones y el núcleo, es decir, en la mecánica cuántica.

La incertidumbre de Heisenberg

Mitchell ha recordado que 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.

Como la mayoría de 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 ICFO Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet y Robert J. Sewell, dirigidos por Mitchell en un estudio en el que describen cómo un instrumento bien diseñado puede circunvalar la incertidumbre cuántica.

Según Mitchell, 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.

Pura Física Cuántica

El equipo de ICFO ha demostrado cómo trasladar casi toda la incertidumbre al ángulo que no es medido por el instrumento, con lo que lograron obedecer la exigencia del principio de incertidumbre de Heisenberg, pero ocultaron la incertidumbre en uno de los parámetros que no “podía hacer daño”.

Representación de la esfera de Poincaré de la luz presionada por la polarización. ICFO

Representación de la esfera de Poincaré de la luz presionada por la polarización. ICFO

Como resultado, han sido capaces de obtener una medida de amplitud angular con una precisión sin precedentes, sin ser afectada por la incertidumbre cuántica.

Mitchell ha afirmado que “para los científicos, el principio de incertidumbre es muy frustrante. 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”.

En su estudio, el equipo ICFO enfrió una nube de átomos a unos pocos micro-grados Kelvin, aplicó un campo magnético para producir movimiento de los spins, como sucede en la IRM, e iluminó la nube con un láser para medir la orientación de spins atómicos.

Entonces, observaron que tanto el ángulo de spin como su amplitud pueden ser monitoreados continuamente con una precisión más allá de los límites previamente esperados.

Colangelo ha subrayado que para llevar a cabo su experimento tuvieron que desarrollar un modelo teórico para ver si lo que querían hacer era realmente posible y no todas las tecnologías que utilizaron para el experimento existían cuando empezaron, por lo que tuvieron que “diseñar y desarrollar un detector particular que fuera lo suficientemente rápido y generará muy poco ruido”.

Según el ICFO, con esta nueva técnica es posible obtener mediciones atómicas aún más precisas, lo que abre una nueva vía para desarrollar instrumentos mucho más precisos para detectar de señales, como las ondas gravitacionales o la actividad cerebral. EFE

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