LIGO supera el límite cuántico

En 2015, el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser, o LIGO, hizo historia cuando realizó la primera detección directa de ondas gravitacionales, o ondas en el espacio y el tiempo, producido por un par de agujeros negros en colisión. Desde entonces, los Estados Unidos. La National Science Foundation (NSF) financió LIGO y su detector hermano en Europa, Virgo, han detectado ondas gravitacionales de docenas de fusiones entre agujeros negros, así como de colisiones entre una clase relacionada de restos estelares llamados estrellas de neutrones. En el corazón del éxito de LIGOia está su capacidad para medir el estiramiento y la compresión de la tela del espacio-tiempo en escalas 10 mil billones de veces más pequeñas que un cabello humano.

Tan incomprensiblemente pequeñas como son estas mediciones, la precisión de LIGO ha seguido estando limitada por las leyes de la física cuántica. A escalas subatómicas muy pequeñas, el espacio vacío se llena con un leve crujido de ruido cuántico, que interfiere con las mediciones de LIGO y restringe cuán sensible puede ser el observatorio. Ahora, escribiendo en el diario Revisión física X, Los investigadores de LIGO informan un avance significativo en una tecnología cuántica llamada “ compresión ” que les permite eludir este límite y medir ondulaciones en el espacio-tiempo en todo el rango de frecuencias gravitacionales detectadas por LIGO.

Esta nueva tecnología de compresión dependiente de frecuencia “ ”, en funcionamiento en LIGO desde entonces vuelto a encender en mayo de este año, significa que los detectores ahora pueden sondear un mayor volumen del universo y se espera que detecten alrededor de un 60 por ciento más de fusiones que antes. Esto aumenta en gran medida la capacidad de LIGO para estudiar los eventos exóticos que sacuden el espacio y el tiempo.

“Podemos controlar la naturaleza, pero podemos controlar nuestros detectores,” dice Lisa Barsotti, científica investigadora senior del MIT que supervisó el desarrollo de la nueva tecnología LIGO, un proyecto que originalmente involucró experimentos de investigación en el MIT dirigido por Matt Evans, profesor de física, y Nergis Mavalvala, el Curtis y Kathleen Marble Profesor de Astrofísica y el decano de la Escuela de Ciencias. El esfuerzo ahora incluye docenas de científicos e ingenieros con sede en el MIT, Caltech y los observatorios gemelos LIGO en Hanford, Washington y Livingston, Louisiana.

“Un proyecto de esta escala requiere múltiples personas, desde instalaciones hasta ingeniería y óptica — básicamente la extensión completa del Laboratorio LIGO con importantes contribuciones de la Colaboración Científica LIGO. Fue un gran esfuerzo hecho aún más desafiante por la pandemia, dice” Barsotti.

“ Ahora que hemos superado este límite cuántico, podemos hacer mucha más astronomía, ” explica Lee McCuller, profesor asistente de física en Caltech y uno de los líderes del nuevo estudio. “ LIGO usa láseres y espejos grandes para hacer sus observaciones, pero estamos trabajando a un nivel de sensibilidad que significa que el dispositivo se ve afectado por el reino cuántico. ”

Los resultados también tienen ramificaciones para futuras tecnologías cuánticas como computadoras cuánticas y otras microelectrónicas, así como para experimentos de física fundamental. “ Podemos tomar lo que hemos aprendido de LIGO y aplicarlo a problemas que requieren medir distancias de escala subatómica con una precisión increíble, dice McCuller.

“Cuando NSF invirtió por primera vez en la construcción de los detectores gemelos LIGO a fines de la década de 1990, nos entusiasmó el potencial de observar ondas gravitacionales,” dice el director de NSF, Sethuraman Panchanathan. “No solo estos detectores hicieron posibles descubrimientos innovadores, sino que también desataron el diseño y desarrollo de nuevas tecnologías. Esto es realmente un ejemplo del ADN de NSF — exploraciones impulsadas por la curiosidad junto con innovaciones inspiradas en el uso. A través de décadas de continuas inversiones y expansión de asociaciones internacionales, LIGO está aún más preparado para avanzar en ricos descubrimientos y avances tecnológicos."

Las leyes de la física cuántica dictan que las partículas, incluidos los fotones, aparecerán al azar dentro y fuera del espacio vacío, crear un silbido de fondo de ruido cuántico que aporta un nivel de incertidumbre a las mediciones basadas en láser de LIGO. La compresión cuántica, que tiene sus raíces a fines de la década de 1970, es un método para silenciar el ruido cuántico o, más específicamente, para empujar el ruido de un lugar a otro con el objetivo de hacer mediciones más precisas.

El término apretar se refiere al hecho de que la luz puede ser manipulada como un animal globo. Para hacer un perro o una jirafa, uno puede pellizcar una sección de un globo largo en una pequeña articulación ubicada con precisión. Pero luego el otro lado del globo se hinchará a un tamaño más grande y menos preciso. De manera similar, la luz se puede exprimir para ser más precisa en un rasgo, como su frecuencia, pero el resultado es que se vuelve más incierta en otro rasgo, como su poder. Esta limitación se basa en una ley fundamental de la mecánica cuántica llamada principio de incertidumbre, que establece que no se puede conocer tanto la posición como el momento de los objetos (o la frecuencia y el poder de la luz) al mismo tiempo.

Desde 2019, los detectores gemelos de LIGO han estado exprimiendo la luz de tal manera que mejoran su sensibilidad al rango de frecuencia superior de las ondas gravitacionales que detectan. Pero, de la misma manera que apretar un lado de un globo resulta en la expansión del otro lado, la luz apretada tiene un precio. Al hacer que las mediciones de LIGO sean más precisas a altas frecuencias, las mediciones se volvieron menos precisas en las frecuencias más bajas.

“ En algún momento, si haces más apretones, no vas a ganar mucho. Necesitábamos prepararnos para lo que vendría después en nuestra capacidad de detectar ondas gravitacionales, explica ” Barsotti.

Ahora, Las nuevas cavidades ópticas dependientes de la frecuencia de LIGOA — tubos largos sobre la longitud de tres campos de fútbol — permiten al equipo exprimir la luz de diferentes maneras dependiendo de la frecuencia de las ondas gravitacionales de interés, reduciendo así el ruido en todo el rango de frecuencia LIGO.

“Antes, teníamos que elegir dónde queríamos que LIGO fuera más preciso,” dice Rana Adhikari, miembro del equipo LIGO, profesora de física en Caltech. “Ahora podemos comer nuestro pastel y tenerlo también. Weimos sabe desde hace un tiempo cómo escribir las ecuaciones para hacer que esto funcione, pero no estaba claro que realmente podríamos hacer que funcione hasta ahora. Es como ciencia ficción.”