La medición más precisa hasta ahora de la rotación de la Tierra

Hasta el momento, los interferómetros ópticos de Sagnac son los dispositivos más sensibles a las rotaciones que existen. De hecho, estos ingenios han tenido una enorme importancia desde principios del siglo pasado para la comprensión de la física fundamental, 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, con una capacidad que solo se detiene en los límites de la física clásica.

Pero los interferómetros basados en el entrelazamiento cuántico son capaces de romper esos límites, y pueden llegar a ser mucho más precisos todavía. Si dos o más partículas están entrelazadas, sólo es posible conocer su estado general, mientras que el estado individual de cada partícula permanece indeterminado hasta que se produce una medición. Lo cual se puede utilizar para obtener una cantidad extra de información en cada medición. Sin embargo, la promesa de un 'salto cuántico' en la sensibilidad de los sensores de medición se ha visto obstaculizada hasta ahora por la naturaleza misma, extremadamente delicada, del entrelazamiento. Y aquí es donde el experimento de Viena logró marcar la diferencia.

Para lograrlo, los investigadores construyeron un interferómetro Sagnac gigante de fibra óptica, y mantuvieron el ruido bajo y estable durante varias horas. Lo cual permitió la detección de suficientes pares de fotones entrelazados de alta calidad como para superar en mil veces la precisión de rotación de los interferómetros ópticos de Sagnac anteriores.

En un interferómetro 'clásico' de Sagnac, dos partículas que viajan en direcciones opuestas a lo largo de una trayectoria giratoria cerrada llegan al punto de partida en momentos diferentes. Con dos partículas entrelazadas, sin embargo, la cosa se vuelve mucho más extraña, incluso 'fantasmal'. De hecho, se comportan como si una sola partícula estuviera viajando en ambas direcciones a la vez, mientras acumulan el doble de retraso temporal 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 alrededor de una enorme bobina, creando un interferómetro con un área efectiva de detección de más de 700 metros cuadrados.

Un obstáculo importante al que tuvieron que enfrentarse los investigadores fue aislar y extraer de su instrumento la señal específica que genera la rotación constante de la Tierra. «El meollo de la cuestión -explica el autor principal Raffaele Silvestri- consiste en establecer un punto de referencia para nuestras mediciones, donde la luz no se vea afectada por el efecto de rotación de la Tierra. Dada nuestra incapacidad para detener el giro del planeta, ideamos una solución alternativa: dividir la fibra óptica en dos bobinas de igual longitud y conectarlas mediante un interruptor óptico».

Al encender y apagar el interruptor, los investigadores pudieron cancelar con éxito y a voluntad la señal de rotación, lo que también les permitió extender la estabilidad de su enorme aparato. «Básicamente -dice Silvestri- hemos engañado a la luz haciéndole creer que se encuentra en un Universo que no gira».

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, permitió por tanto observar con éxito el efecto de la rotación de la Tierra en el estado de dos fotones fuertemente entrelazados. Lo cual confirma la interacción entre los sistemas de referencia giratorios y el entrelazamiento cuántico, tal y como se describe en la teoría especial de la relatividad de Einstein y en la mecánica cuántica, pero con una precisión mil veces mayor que en experimentos anteriores.

En palabras de Haocun Yu, coautor del estudio, «esto representa un hito importante ya que, un siglo después de la primera observación de la rotación de la Tierra usando la luz, el entrelazamiento de los cuantos individuales de luz finalmente ha entrado en los mismos regímenes de sensibilidad».

«Creo -añade por su parte Philip Walther- que nuestros resultados y nuestra metodología sentarán las bases para seguir mejorando la sensibilidad de rotación de los sensores basados en entrelazamientos. Y eso podría abrir el camino para futuros experimentos que prueben el comportamiento del entrelazamiento cuántico a través de las curvas del espacio-tiempo».