El detector LIGO con mejoras cuánticas establece un nuevo récord de sensibilidad

Los últimos progresos en la generación de estados cuánticos de vacío comprimido han posibilitado mejorar la sensibilidad del detector de ondas gravitacionales situado en el observatorio de LIGO en Hanford hasta un nivel sin precedentes. LIGO, el Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory en inglés), utiliza largos interferómetros de tipo Michelson a fin de detectar ondas gravitacionales provenientes de agujeros negros, estrellas de neutrones, supernovas o remanentes del Big Bang. Albert Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales como parte de su teoría de la relatividad general. Son extremadamente débiles, de manera que se requieren instrumentos altamente sensibles para su detección. Por ejemplo, un sistema binario de estrellas de neutrones (con una órbita decreciente una alrededor de la otra) situado en el cúmulo galáctico Virgo, produciría una señal no mayor a la milésima parte del radio de un protón.

De acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, no es posible conocer simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula cuántica - cuanta más precisión en la posición, más imprecisión en la velocidad, y viceversa. Para las ondas de luz, el principio de Heisenberg dice que hay incertidumbres inevitables entre amplitud y fase en una forma similar a la anterior. Una de las consecuencias más extrañas de la teoría cuántica es que, incluso en condiciones de vacío absoluto, debe haber campos eléctricos y magnéticos fluctuando. En condiciones de vacío normal, estas fluctuaciones "de punto cero" son completamente aleatorias y la incertidumbre total está equidistribuida entre la amplitud y la fase. Sin embargo, utilizando un cristal con propiedades ópticas no lineales, es posible preparar un estado en el cual la mayor parte de la incertidumbre se concentre en una de las dos variables. Dicho cristal puede convertir el vacío normal en "vacío comprimido", el cual posee fluctuaciones de fase MENORES al vacío normal. A pesar de que esto provoca mayores fluctuaciones de amplitud, el principal problema para LIGO es el ruido de fase.

Durante el último periodo de observación en 2009 y 2010, los detectores de ondas gravitacionales de LIGO estaban limitados por las fluctuaciones de punto cero en la mayor parte de su rango de frecuencias. En 2011, se instalaron en el observatorio LIGO en Hanford un cristal compresivo junto con diversos controles e instrumentos de precisión óptica, para testear la idea de reducir las fluctuaciones de fase del vacío. El vació comprimido se colocó en la salida del interferómetro de Michelson. Como se predijo, se redujo el ruido en la banda de frecuencias por encima de los 200 Hz en un margen pequeño pero importante, tal y como se muestra en la figura inferior. Durante el test, el interferómetro de LIGO en Hanford alcanzó más sensibilidad que cualquier otro detector de ondas gravitacionales utilizado hasta la fecha. No hay duda de que este experimento es un importante paso que continúa el camino iniciado por los resultados en la banda alta de frecuencias del detector GEO600 en Alemania, y muestra cómo podrá mejorarse la sensibilidad de los futuros detectores de ondas gravitacionales manipulando las propiedades cuánticas de la luz.

Medición de la mejora de la sensibilidad del detector de ondas gravitacionales LIGO en Hanford de acuerdo con este estudio. El eje vertical indica el nivel de ruido del detector en función de la frecuencia, de manera que la curva azul ("mejora cuántica" por vacío comprimido) es mejor (se encuentra más abajo) que la curva roja para frecuencias por encima de los 200 Hz.

A sensitivity-frequency plot showing sensitivity improvement from using squeezed vacuum

Ya que LIGO se encuentra en medio de un ambicioso proceso de mejora - el proyecto Advanced LIGO - el detector utilizado en este experimento ha sido decomisado. El diseño de Advanced LIGO fue finalizado con anterioridad al experimento de vacío comprimido, de manera que las mejoras cuánticas no se encuentran en el plan base. No obstante, están listas para ser incluidas en las primeras actualizaciones. Los exitosos resultados de la tecnología de vacío comprimido ofrecen una nueva forma de mejorar la sensibilidad de los detectores y, por tanto, de alcanzar regiones más lejanas del Universo.

Para leer más:


Glosario:

  • Amplitud y fase: Las dos variables que describen a una onda electromagnética: La amplitud describe la altura de los picos de la onda, mientras que la fase describe cuando llegan los picos a una región determinada.
  • Estado de vacío y fluctuaciones de punto cero: El "estado de vacío" es aquel estado en el cual no hay fuentes de luz. Aún así, sigue siendo descrito por un campo electromagnético que obedece el principio de incertidumbre de Heisenberg. En particular, el estado de vacío tiene incertidumbres asociadas a la amplitud y a la fase equidistribuidas, normalmente denominadas fluctuaciones de punto cero.
  • Vacío comprimido: Al igual que el estado de vacío, es un estado en el que no hay fuentes de luz, y que obedece el principio de incertidumbre de Heisenberg. Sin embargo, las incertidumbres asociadas a la amplitud y a la fase se encuentran distribuidas de manera desigual. En particular, puede "comprimirse" la incertidumbre de la amplitud para aumentar la de la fase y viceversa.
  • Cristal no lineal: Cristal capaz de devolver luz de color diferente al de la luz incidente.

Algunas de las personas detrás de esta investigación

Dwyer, Khalaidovski
Sheila Dwyer y Alexander Khalaidovski testeando la óptica de las fuentes de vacío comprimido en una habitación estéril portátil (las cortinas se desplazaron temporalmente para la foto). Dwyer estudió en el MIT y actualmente realiza una estancia post-doctoral en el observatorio LIGO Hanford. Khalaidovski estudió en el Instituto Albert Einstein en Hannover, Alemania, y realiza una estancia post-doctoral en el Instituto de investigación de rayos cósmicos en la Universidad de Tokio.
 
Chua
Sheon Chua junto a la fuente de vacío comprimido instalada junto al interferómetro en el observatorio LIGO Hanford. Chua estudió en la Universidad Nacional de Australia, y ahora realiza una estancia post-doctoral allí.
 
S. Dwyer, S. Chua, L. Barsotti y D. Sigg fueron los científicos principales de este experimento, pero varios miembros de la colaboración científica LIGO contribuyeron de manera directa. M. Stefszky, A. Khalaidovski, M. Factourovich y C. Mow-Lory ayudaron a la construcción de la fuente de vacío comprimido bajo la dirección de N. Mavalvala, D. McClelland y R. Schnabel. K. Kawabe supervisó la integración de la fuente de vacío comprimido en el interferómetro de LIGO con la inestimable ayuda de M. Landry y el staff del observatorio de LIGO Hanford. N. Smith-Lefebvre, M. Evans, R. Schofield y C. Vorvick mantuvieron el interferómetro en condiciones de máxima sensibilidad y dieron soporte a la integración de la fuente de vacío comprimido, con ayuda de G. Meadors y G. Gustafson.