Batido el límite de precisión de medida que impone la mecánica cuántica

¿Se puede medir algo con infinita precisión o hay un límite? En teoría sí, según el llamado límite de Heisenberg, consecuencia de uno de los pilares de la mecánica cuántica, el principio de incertidumbre, que dice que si se conoce exactamente dónde se encuentra un objeto muy pequeño, como un átomo, no se pude saber a dónde se dirige, explican unos científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona. Sin embargo ellos han logrado soslayar ese límite teóricamente infranqueable y han medido en un experimento señales magnéticas ultradébiles. Eso sí, puntualizan que el resultado no significa que el principio de incertidumbre de Heisenberg sea incorrecto, destaca el Instituto de Física (IOP) británico, sino que no se sabe bien cómo manejarlo en sistemas de múltiples partículas.

El logro del equipo que dirige Morgan Mitchell en el ICFO, presentado en la revista Nature, no sólo es un hito de física básica por lo que tiene de avance en la comprensión de los mecanismos que limitan la precisión de las medidas, sino que puede tener aplicaciones importantes, por ejemplo en aparatos de investigación y diagnóstico médico para ver con detalle cómo interactúan las neuronas del cerebro. También permitirá hacer relojes atómicos más precisos que los actuales. En otro campo también de física fundamental, la detección de ondas gravitacionales que emiten fenómenos como las colisiones de agujeros negros, puede verse beneficiada por este avance al mejorar las posibilidades de precisión.

"Supongamos, por ejemplo, que queremos medir la temperatura del agua caliente introduciendo un termómetro en ella", plantean los expertos del ICFO en un comunicado de la Universidad Politécnica de Cataluña. "Dicho termómetro está frío y, al entrar en contacto con el agua, la enfría ligeramente", continúa. "El dato obtenido sigue siendo una buena aproximación de la temperatura, pero su exactitud no llega hasta la billonésima de grado; el termómetro ha modificado casi imperceptiblemente la temperatura que estábamos midiendo".

La idea es que para alcanzar precisión extrema, los instrumentos de medida tienen que ser cada vez más pequeños, y se acaba llegando al mundo de los átomos o los fotones (las partículas de luz) que se rigen por las leyes de la mecánica cuántica. De acuerdo con el principio de Heisenberg, nada puede ser medido sin cambiarlo "ya que cuando una herramienta de medida interacciona con el objeto que se está midiendo, le está transfiriendo su incertidumbre intrínseca". Así, "según cómo se sumen todas las incertidumbres entre herramientas y partículas, se llega a un límite último de sensibilidad".

Mario Napolitano y sus colegas del equipo de Mitchell han hecho los experimentos disparando pulsos de láser a una muestra de átomos de rubidio ultrafríos y contenidos sen una trampa óptica. Pero, en lugar de utilizar cada uno de los fotones del láser de forma independiente y hacer la medida, ellos hacen trabajar conjuntamente a los fotones. Logran así amplificar la señal y mejorar en diez veces la sensibilidad de la medida del campo magnético, demostrando que es posible superar el límite. Más técnicamente, los científicos han utilizado un interferómetro de polarización.

La idea del experimento procede de trabajos teóricos de hace unos años, uno del español Alfredo luis (Universidad Complutense), de 2005, y otro de Carlton Caves (Universidad de Nuevo México, EEUU), de 2007, sobre lo que podría considerarse la superación del límite de Heisenberg. Napolitano, Mitchell y los demás miembros del equipo han puesto en práctica ahora la idea del estadounidense.

Con sensores ópticos basados en átomos y la demostración de los científicos del ICFO se podrían desarrollar instrumentos compactos y sencillos para hacer magnetoencefalogramas y obtener imágenes del campo magnético cerebral con altísima resolución y en tiempo real, señalan los expertos. También se podrían mejorar los relojes atómicos. En cuanto a los detectores de ondas gravitacionales, como el LIGO, que ya funciona en EE UU pero aún en fase de mejora de sus prestaciones, se podría dar un paso adelante. Ligo está diseñado para registrar las distorsiones del espacio-tiempo de las ondas gravitacionales mediante la medida ultraprecisa de diferencias minúsculas que deben sufrir los haces láser del detector al pasar una de esas ondas, explica Edwin Cartlidge en Physicsworld.com. Según el físico teórico Jonathan Dowling, con el avance de los científicos de Barcelona se puede mejorar la sensibilidad de Ligo o reducir mucho la potencia de los láseres, lo que evitaría el calentamiento potencial y la deformación de los instrumentos ópticos.