Un prototipo de sensor desarrollado por investigadores del Imperial College de Londres (Reino Unido) ha demostrado, por primera vez, que un principio clave en el que se basan los detectores cuánticos de próxima generación puede funcionar en condiciones realistas. El avance, publicado en la revista Nature, supone un paso importante en la búsqueda de señales extremadamente débiles, como ondas gravitacionales del universo primitivo o posibles indicios de materia oscura.El trabajo forma parte de la colaboración Atom Interferometer Observatory and Network (AION), liderada por el Imperial College, y se basa en el uso de interferómetros atómicos, instrumentos que emplean láseres para medir con gran precisión el comportamiento de los átomos.

En concreto, los investigadores compararon dos interferómetros de línea de base larga para cancelar el ruido experimental que normalmente puede ocultar las señales que se quieren detectar.Comprender de qué está hecho el universo e identificar nuevas fuentes de ondas gravitacionales son dos de los grandes retos de la física moderna. Ambos objetivos exigen medir señales extremadamente débiles, que pueden perderse fácilmente entre el ruido de fondo.El ruido, el gran obstáculoEl principal resultado del estudio es que, aunque las mediciones individuales quedaban saturadas por el ruido, la comparación entre ambos interferómetros permitió recuperar una señal clara.

Esto confirma que el método de cancelación de ruido funciona según lo previsto y abre la puerta al desarrollo de sensores cuánticos de mayor escala.La técnica se basa en comparar el comportamiento de dos nubes de átomos situadas en lugares distintos, pero interrogadas por el mismo láser. Cualquier diferencia entre ambas podría revelar señales ocultas, como la presencia de un campo de materia oscura o el paso de una onda gravitacional.

No obstante, el láser utilizado para controlar el experimento genera un ruido de fase mucho mayor que las señales que los científicos intentan medir, por lo que puede enmascararlas por completo.Para superar este problema, los investigadores han propuesto un enfoque diferencial: comparar dos interferómetros de forma que el ruido compartido por ambos se cancele. Este principio es fundamental para los futuros detectores cuánticos de gran escala, aunque hasta ahora no se había demostrado experimentalmente en condiciones realistas."Sabemos desde hace tiempo que los sensores cuánticos pueden ayudarnos a comprender el universo, pero solo recientemente ha sido posible construirlos con la resolución necesaria", ha explicado el doctor Charles Baynham, codirector del Laboratorio de Estroncio Ultrafrío del Imperial College de Londres.Para poner a prueba este principio, los investigadores construyeron un prototipo de sobremesa con dos nubes de estroncio-87 ultrafrío separadas macroscópicamente y analizadas mediante un único láser de reloj ultraestable.

El montaje fue diseñado para imitar las condiciones previstas en futuros experimentos de mayor tamaño, donde controlar el ruido será cada vez más complejo.El equipo introdujo deliberadamente grandes cantidades de ruido de fase adicional en el sistema, mucho más del que producen de forma natural los láseres de reloj, para simular las condiciones esperadas en detectores de línea de base larga. Analizado por separado, cada interferómetro quedó inutilizable: su señal quedó oscurecida y los patrones necesarios para realizar las mediciones desaparecieron.No obstante, al comparar ambos interferómetros, los científicos lograron recuperar una señal clara.

Aunque cada medición individual parecía aleatoria, la correlación entre ambas dio a conocer el comportamiento real del sistema y demostró que la cancelación del ruido láser funciona como estaba previsto.El equipo introdujo asimismo una señal oscilante adicional, similar a la que podría producir una onda gravitacional o un campo de materia oscura. Incluso en esas condiciones, en las que ninguno de los dos interferómetros contenía por sí solo información útil, la señal pudo detectarse con claridad."Abrir ventanas a las partes invisibles del universo"Los resultados proporcionan la primera validación experimental de un principio clave para los interferómetros atómicos de línea de base larga y ayudan a resolver uno de los principales desafíos de diseño de estos futuros detectores.

En el marco del programa AION, los investigadores trabajan ahora en ampliar estos sistemas para convertirlos en experimentos capaces de explorar nuevas regiones del universo."Hemos tomado algunos de los instrumentos más precisos jamás construidos (relojes atómicos e interferómetros atómicos) y hemos demostrado que se pueden reutilizar para abrir ventanas completamente nuevas a las partes invisibles de nuestro Universo", ha señalado el doctor Richard Hobson, codirector del Laboratorio de Estroncio Ultrafrío del Imperial College.Hobson ha añadido que el experimento actual es solo un prototipo, pero ampliarlo a una instalación a gran escala en laboratorios como el CERN o Fermilab "permitirá abordar algunos de los misterios más profundos de la física, incluida la naturaleza de la materia oscura".El profesor Oliver Buchmueller, investigador principal de la colaboración AION en el Imperial College, ha destacado que el trabajo supone "un hito importante para el desarrollo de futuros sensores cuánticos a gran escala para la física fundamental". "Demuestra, en condiciones experimentales realistas, una técnica clave relevante para las instalaciones de interferometría atómica de próxima generación que se están desarrollando en la actualidad a nivel internacional, como MAGIS en Fermilab y la propuesta instalación AICE en el CERN", concluye.