Los resultados de una colaboración en el Reino Unido representan un avance importante hacia la construcción de sensores cuánticos a gran escala
Un innovador sensor cuántico ha demostrado su capacidad para descubrir señales ocultas a través de un ruido abrumador, allanando el camino para futuras búsquedas de materia oscura y ondas gravitacionales antiguas. Crédito: SciTechDaily.com
Eleanor Barrand, Imperial College de Londres/5 de julio de 2026
Un prototipo de sensor cuántico construido por investigadores del Imperial College ha demostrado por primera vez que una idea central en la que se basan los futuros detectores cuánticos puede funcionar en condiciones experimentales realistas.
El estudio demuestra que la comparación de dos interferómetros atómicos de línea de base larga , instrumentos que utilizan láseres para medir el comportamiento de los átomos con extrema precisión, puede cancelar eficazmente el ruido experimental.
Esto permite recuperar señales incluso cuando cada medición individual está enmascarada por el ruido. Este avance podría respaldar futuras búsquedas de ondas gravitacionales del universo primitivo y de indicios de formas inusuales de materia oscura.
Este trabajo forma parte de la colaboración Atom Interferometer Observatory and Network (AION). Liderada por Imperial College, AION reúne a investigadores de diversas instituciones del Reino Unido que desarrollan tecnologías de detección cuántica de última generación.
Esta investigación fue publicada el 17 de junio de 2026 en la revista Nature.
La pequeña esfera brillante en el centro de esta cámara es una nube de átomos a una temperatura cercana al cero absoluto, levitando sobre luz láser azul. Estos átomos se enfriarán aún más antes de convertirse en diminutos sensores, configurados para detectar ondas gravitacionales y materia oscura. Crédito: Dr. Thomas Walker, Imperial College London
Cancelación del ruido en mediciones cuánticas
Comprender la composición del Universo y encontrar nuevas fuentes de ondas gravitacionales siguen siendo algunas de las mayores incógnitas de la física moderna.
Ambos objetivos requieren que los científicos detecten señales extremadamente débiles que pueden quedar ocultas por el ruido de fondo. Contar con métodos fiables para separar esas señales del ruido es fundamental para explorar regiones del Universo a las que los experimentos actuales no pueden llegar.
Los interferómetros atómicos de línea de base larga se están convirtiendo en una de las tecnologías más prometedoras para esta tarea. Utilizan láseres para separar nubes de átomos y luego recombinarlos, lo que permite medir cambios minúsculos en el movimiento atómico con una precisión excepcional.
Simulaciones de fusiones de agujeros negros en el universo observable, con sensibilidades proyectadas de detectores de ondas gravitacionales existentes y propuestos. La nueva clase de sensores basados en átomos, pionera en este trabajo (AION/AEDGE), podría ayudarnos a detectar agujeros negros de masa intermedia (IMBH), que desempeñaron un papel fundamental en la formación de nuestra galaxia. Crédito: Dr. Thomas Walker, Dr. Charles Baynham, Dr. Thomas Walker, Dra. Elizabeth Pasatembou, Dr. Charles Baynham, Imperial College LondonEl método se basa en comparar el comportamiento de dos nubes de átomos situadas en ubicaciones diferentes y medidas con el mismo láser. Cualquier diferencia entre ellas podría revelar señales ocultas, como la presencia de un campo de materia oscura.
Pero este método se enfrenta a un serio obstáculo. El láser que controla el experimento genera un ruido de fase mucho mayor que las señales que los físicos esperan detectar. Sin corrección, ese ruido enmascararía por completo los efectos que buscan.
Los científicos han propuesto resolver el problema mediante un método diferencial, comparando dos interferómetros para que el ruido compartido se cancele. Esta idea es fundamental para los planes de los detectores de próxima generación, pero hasta ahora no se había demostrado su eficacia en condiciones reales.
En referencia a la importancia de este avance, el Dr. Charles Baynham, codirector del Laboratorio de Estroncio Ultrafrío del Imperial College de Londres , declaró: “Sabemos desde hace tiempo que los sensores cuánticos pueden ayudarnos a comprender el universo, pero solo recientemente ha sido posible construirlos con la resolución necesaria.
Estamos inmensamente orgullosos del esfuerzo de nuestro equipo para hacer realidad estos sensores. ¡Estoy deseando que llegue el día en que las señales de un átomo nos informen sobre un agujero negro que se fusionó hace millones de años!
Uno de los sistemas láser utilizados en el Laboratorio Imperial para enfriar átomos y manipular su estado cuántico. Crédito: Dr. Charles Baynham, Imperial College London.
Probar el enfoque
En el nuevo estudio, el grupo del Imperial College puso a prueba este principio en el laboratorio.
En el interior del Laboratorio Imperial de Estroncio Ultrafrío, crearon un prototipo de sobremesa utilizando dos nubes de estroncio 87 ultrafrío muy separadas, ambas medidas con un único láser de reloj ultraestable.
El diseño tenía como objetivo recrear las condiciones previstas en experimentos futuros de mayor envergadura, donde el control del ruido resultará aún más difícil.
Para poner a prueba la técnica, el grupo añadió intencionadamente grandes cantidades de ruido de fase adicional al sistema, mucho más de lo que producen de forma natural los láseres de reloj, para imitar las condiciones esperadas en los detectores de línea de base larga.
Para construir un sensor cuántico, la luz debe prepararse en un estado cuidadosamente controlado donde su frecuencia, polarización e intensidad estén bien controladas. En este caso, se altera la polarización de la luz azul antes de usarla para enfriar los átomos hasta el cero absoluto. Crédito: Dr. Thomas Walker, Imperial College LondonPor sí solos, ambos interferómetros quedaron inutilizables debido a que el ruido anuló la señal. Los patrones de interferencia que normalmente se utilizan para la medición quedaron prácticamente anulados.
Pero al comparar los dos interferómetros, la señal reapareció. Si bien cada medición individual parecía aleatoria, la relación entre ellas reveló el comportamiento subyacente del sistema. La medición combinada alcanzó el límite fundamental establecido por la física cuántica, lo que demuestra que la cancelación de ruido láser funciona según lo previsto.
Los científicos añadieron entonces al sistema una señal oscilante adicional, similar a la que podría producir una onda gravitacional o un campo de materia oscura. La señal seguía siendo claramente detectable, aunque ninguno de los interferómetros por sí solo contenía información útil.
Para construir un sensor cuántico, la luz debe prepararse en un estado cuidadosamente controlado donde su frecuencia, polarización e intensidad estén bien controladas. En este caso, la frecuencia del láser rojo se modifica antes de utilizarse para enfriar los átomos hasta el cero absoluto. Crédito: Dra. Elizabeth Pasatembou, Imperial College LondonHacia detectores de próxima generación
Los resultados proporcionan la primera prueba experimental de un principio clave en el que se basan los interferómetros atómicos de línea de base larga y ayudan a abordar uno de los principales desafíos en su diseño.
A través del programa AION, los investigadores están desarrollando las tecnologías necesarias para ampliar estos sistemas y convertirlos en experimentos capaces de explorar nuevas regiones del Universo.
AION también forma parte de un esfuerzo internacional más amplio que incluye estrechas colaboraciones con el proyecto MAGIS en Fermilab e instituciones estadounidenses relacionadas, todas ellas trabajando para impulsar los interferómetros atómicos a gran escala para la física fundamental.
Una de las propuestas es el Experimento de Interferometría Atómica del CERN (AICE), que utilizaría técnicas similares a distancias mucho mayores. De concretarse, AICE abriría un nuevo camino para el CERN al aplicar la detección cuántica a la física fundamental a gran escala. Instalaciones de este tipo podrían convertirse en algunos de los experimentos cuánticos más grandes jamás construidos.
Parte del desafío de construir sensores cuánticos a gran escala reside en generar luz láser de muy alta potencia con una frecuencia extremadamente precisa. Esta imagen muestra un cristal de zafiro de titanio resonando en una cavidad óptica, generando luz que posteriormente dividirá el estado cuántico de nuestros átomos. La luz roja en esta imagen es una de las más puras que existen: es simplemente roja hasta la decimoquinta cifra decimal. Crédito: Dr. Charles Baynham, Imperial College London
El Dr. Richard Hobson, codirector del Laboratorio de Estroncio Ultrafrío del Imperial College, declaró: “Hemos tomado algunos de los instrumentos más precisos jamás construidos —relojes atómicos e interferómetros atómicos— y hemos demostrado que pueden reutilizarse para abrir ventanas completamente nuevas a las partes invisibles de nuestro Universo.
Nuestro experimento actual es solo un prototipo, pero ampliarlo a una instalación a gran escala en laboratorios como el CERN o Fermilab nos permitirá abordar algunos de los misterios más profundos de la física, incluida la naturaleza de la materia oscura.
Investigadores del Imperial College están diseñando estos sistemas como parte de una iniciativa internacional para crear una nueva generación de sensores cuánticos. En el futuro, estos detectores podrían estudiar bandas de frecuencia de ondas gravitacionales actualmente inaccesibles y buscar nuevas formas de materia, abriendo una ventana al Universo hasta ahora inexplorada.
El profesor Oliver Buchmueller, investigador principal de la colaboración AION en el Imperial College, añadió: «Este trabajo supone un hito importante para el desarrollo de futuros sensores cuánticos a gran escala para la física fundamental. Demuestra, en condiciones experimentales realistas, una técnica clave relevante para las instalaciones de interferometría atómica de próxima generación que se están desarrollando actualmente a nivel internacional, como MAGIS en Fermilab y la propuesta instalación AICE en el CERN».
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Referencia:
“Un prototipo de interferómetro atómico diferencial para física fundamental” por CFA Baynham, R. Hobson, O. Buchmüller, D. Evans, L. Hawkins, L. Iannizzotto Venezze, A. Josset, D. Lee, E. Pasatembou, BE Sauer, MR Tarbutt, T. Walker, O. Ennis, U. Chauhan, A. Brzakalik, S. Dey, S. Hedges, B. Stray, M. Langlois, K. Bongs, T. Hird, S. Lellouch, M. Holynski, B. Bostwick, J. Chen, Z. Eyler, V. Gibson, TL Harte, CC Hsu, M. Karzazi, C. Lu, B. Millward, J. Mitchell, N. Mouelle, B. Panchumarthi, J. Scheper, U. Schneider, X. Su, Y. Tang, K. Tkalčec, M. Zeuner, S. Zhang, Y. Zhi, L. Badurina, A. Beniwal, D. Blas, J. Carlton, J. Ellis, C. McCabe, G. Parish, D. Pathak Govardhan, V. Vaskonen, T. Bowcock, K. Bridges, A. Carroll, J. Coleman, G. Elertas, S. Hindley, C. Metelko, H. Throssell, JN Tinsley, E. Bentine, M. Booth, D. Bortoletto, N. Callaghan, C. Foot, C. Gómez-Monedero, K. Hughes, A. James, T. Leese, A. Lowe, J. March-Russell, J. Sander, J. Schelfhout, I. Shipsey, D. Weatherill, D. Wood, SN Balashov, MG Bason, K. Hussain, H. Labiad, P. Majewski, AL Marchant, D. Newbold, Z. Pan, Z. Tam, TC Thornton, T. Valenzuela, MGD van der Grinten, I. Wilmut, K. Clarke, A. Vick y la Colaboración AION, 17 de junio de 2026, Nature .
Financiación: Royal Society, Research Councils UK, Universidad de Cambridge, Generalitat de Catalunya, Ministerio de Universidades
El programa contó con el apoyo del programa Tecnologías Cuánticas para la Física Fundamental (QTFP), una iniciativa conjunta del STFC y el EPSRC.
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Fuente:
