Investigadores de la Universidad Técnica de Delft (Países Bajos) han creado un circuito cuántico que les permite escuchar la señal de radio más débil permitida por la mecánica cuántica.
Hasta ahora, cuando una señal de radio era demasiado débil, la solución ha sido aumentarla. Por ejemplo, en un viaje en coche, a veces se pierde la señal en la que se sintoniza una emisora y se escucha un molesto ruido que se evita eligiendo una emisora diferente. En otras ocasiones, cuando nuestros dispositivos no captan bien la señal wifi por estar demasiado alejados del router, nos acercamos a él. Pero, en vez de aumentar la señal, otra solución sería aumentar la sensibilidad de los sensores de las ondas.
Las señales débiles de radio no son solo un desafío para las personas que intentan encontrar su emisora de radio favorita, sino también para los escáneres de resonancia magnética en los hospitales, así como para los telescopios que usan los científicos para explorar el espacio.
Esta investigación, dirigida por Gary Steele, ha dado un “salto cuántico” en la detección de radiofrecuencias, y ha demostrado la detección de fotones o cuantos de energía, las señales más débiles permitidas por la teoría de la mecánica cuántica.
Trozos cuánticos
La electrodinámica clásica estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos a nivel macroscópico, pero tiene dificultades para explicar la radiación térmica, es decir, la vibración microscópica de las partículas que componen cualquier objeto en equilibrio. La estabilidad de los átomos tampoco podía ser explicada por el electromagnetismo clásico.
Por eso, a principios del siglo XX, se formuló la mecánica cuántica al buscar explicaciones para los fenómenos que se observaban a nivel atómico. El físico alemán Max Planck enunció la hipótesis de que la radiación electromagnética es absorbida y emitida por la materia en forma de “cuantos” de luz o fotones de energía cuantizados.
"Supongamos que estoy empujando a un niño en un columpio", explica en un comunicado el investigador principal Mario Gely. "En la teoría clásica de la Física, si quiero que el niño vaya un poco más rápido, puedo darle un pequeño empujón para que adquiera, más velocidad y más energía. La mecánica cuántica dice algo diferente: solo podría aumentar la energía del niño un "paso cuántico" cada vez. Empujar por solo la mitad de esa cantidad de energía no es posible".
Para un niño en un columpio, estos “pasos cuánticos” son demasiado pequeños para poder notarlos. Hasta hace poco, lo mismo ocurría con las ondas de radio.
Sin embargo, los investigadores han desarrollado un circuito que puede detectar estos “cuantos de energía” en las señales de radiofrecuencia, lo que abre la posibilidad detectar ondas de radio a nivel cuántico.
De la radio cuántica a la gravedad cuántica
Más allá de las aplicaciones en la detección cuántica, los investigadores están interesados en llevar la mecánica cuántica al siguiente nivel: la masa. Mientras que la teoría del electromagnetismo cuántico se desarrolló hace casi 100 años, los físicos aún hoy están desconcertados sobre cómo encajar la gravedad en esta rama de la Física.
La gravedad cuántica es el campo de la física teórica que pretende unificar la teoría cuántica de campos (que aplica los principios de la mecánica cuántica a los sistemas clásicos de campos continuos, como el campo electromagnético) con la relatividad general, la teoría del campo gravitatorio publicada por Albert Einstein en 1915 y 1916.
"Usando nuestra radio cuántica, queremos tratar de escuchar y controlar las vibraciones cuánticas de objetos pesados, y explorar experimentalmente lo que sucede cuando se mezclan la mecánica cuántica y la gravedad", apunta Gely. "Si los experimentos tienen éxito, podríamos probar si podemos hacer una superposición cuántica del espacio-tiempo en sí, un nuevo concepto que probaría nuestra comprensión tanto de la mecánica cuántica como de la relatividad general".
Referencia
Observation and stabilization of photonic Fock states in a hot radio-frequency resonator, M. F. Gely et al. Science, 7 March 2019. DOI: 10.1126/science.aaw3101.