Demuestran el principio de indeterminación de Heisenberg en la medida óptica de la posición de un objeto macroscópico

Dibujo20130215 Experimental setup - continuous position measurement

La mecánica cuántica también se aplica a los objetos macroscópicos, pero sus efectos son tan pequeños que observarlos es muy difícil. Un nuevo artículo en Science ha observado los efectos del principio de indeterminación de Heisenberg en un oscilador macroscópico, una membrana como la de un tambor en una cavidad óptica (la membrana es visible a simple vista). La posición de la membrana se puede medir gracias a la luz que se refleja entre los dos espejos de la cavidad óptica y los autores del estudio han podido medir cómo afecta la presión de radiación de los fotones que inciden en la membrana en la medida óptica de su posición. La medida es tan precisa que se ve afectada por la naturaleza cuántica de los fotones y el error sistemático de la medida sólo está limitado por el ruido cuántico que predice el principio de Heisenberg. Una analogía para la medida óptica de la posición de un objeto es lo que hace el sistema de enfoque automático de una cámara de fotos; se emite un pulso de luz infrarroja que se refleja en el objeto y vuelve a la cámara donde se usa para estimar la distancia entre el objeto y el plano de la imagen. El principio de Heisenberg se puede despreciar en la cámara de fotos, pero en el nuevo experimento conduce a cambios en la intensidad de la luz detectada. El nuevo artículo ilustra la gran precisión que se está alcanzando en la medida de objetos macroscópicos en cavidades ópticas, claves para el avance en los detectores de ondas gravitacionales. La limitación fundamental de estos detectores a día de hoy es el principio de incertidumbre de Heisenberg. Nos lo cuenta Gerard J. Milburn, “Demonstrating Uncertainty,” Science 339: 770-771, 15 Feb 2013, quien se hace eco del artículo técnico de T. P. Purdy, R. W. Peterson, C. A. Regal, “Observation of Radiation Pressure Shot Noise on a Macroscopic Object,” Science 339: 801-804, 15 Feb 2013. (el podcast de Science de hoy se inicia con una entrevista a Purdy; aquí la transcripción en inglés).

El efecto del principio de indeterminación de Heinsenberg en la medida óptica de la posición de un objeto se llama ruido de disparo por presión de radiación (RPSN, Radiation Pressure Shot Noise), es decir, el ruido que introduce la colisión de un fotón contra el objeto debido a su naturaleza cuántica. El momento que se transfiere en el retroceso del objeto cuando le llegan de forma aleatoria fotones que se reflejan en su superficie (ruido de disparo) presenta una incertidumbre Δp que conlleva un error mínimo en la medida de la posición Δx, que cumple con el principio de Heisenberg Δp Δx ≥ ℏ/2. Parece imposible medir la posición con un error menor, por lo que esta relación impone el límite máximo a la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales basados en interferómetros (como LIGO, Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, y KAGRA, Kamioka Gravitational Wave Detector). El nuevo artículo en Science ha podido medir la posición de un objeto con un error limitado sólo por el RPSN, lo que le hace candidato ideal para estudiar las técnicas e ideas que se han desarrollado para burlar este límite, como el uso de luz colimada en cuadratura (quadrature-squeezed light) o técnicas para evitar el retroceso (back-action evasion). Estas propuestas teóricas podrán ser verificadas en la práctica con objetos macroscópicos gracias al nuevo esquema experimental que ha logrado una medida óptica de la posición limitada sólo por el RPSN.

4 Comentarios

Participa Suscríbete

changomanchangoman

¿y porque no determinan la luz antes de que llegue al detector? así no habría ruido… es broma supongo que está mal lo que dije… (-___-)

jonseyspecjonseyspec

Hola Francis,

El post y las referencias son extremadamente interesantes. Pero hay una cosa que no entiendo, según la frase con la que inicias el texto das a entender que se habría observado relación de transformada entre el momento y posición de un oscilador macroscópico por primera vez, vamos, que se habrían observado efectos cuánticos en un oscilador macroscópico simple. Sin embargo yo entiendo (corrígeme por favor) que la relación de transformada proviene de los fotones utilizados, o en otras palabras, las fluctuaciones estadísticas en la medida de la posición son fluctuaciones de la estadística cuántica del “gas de fotones”, lo cual en principio no sería nuevo (salvo por el hecho de haberlo medido de esta manera y con esta precisión, que está genial). Vamos, que los efectos cuánticos son de los fotones y no del oscilador. ¿Me estoy equivocando? Si es así por favor corrígeme…

Muchas gracias Francis y un saludo,

Jon

@jonseyspec

emulenewsemulenews

Obviamente, jonseyspec, han observado sólo los fotones. Lo que pasa es que han observado en los fotones la señal de las vibraciones de la membrana, es decir, la posición de la membrana. Han aplicado el principio de incertidumbre a las vibraciones de la membrana (posición y momento) y no al gas de fotones. Por tanto, los autores del artículo afirman que han observado las propiedades cuánticas de la membrana (aunque las han usado usando los fotones).

jonseyspecjonseyspec

Gracias Francis,
Me parece muy interesante en trabajos de óptica adaptativa (entre otros).

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>