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Quantum control of levitated massive mechanical systems: a new approach for gravitational quantum physics

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Una nueva generación de experimentos trata de responder a la pregunta de si la gravedad requiere una descripción cuántica

Unos físicos cuánticos crean una nueva plataforma para realizar experimentos cuánticos a escala macroscópica sobre el campo gravitatorio de un objeto cuántico.

Investigación fundamental

La mecánica cuántica y la teoría de la gravedad son dos teorías consolidadas empleadas para describir una gran parte del mundo físico. Sin embargo, las dos se apoyan en principios mutuamente excluyentes, lo cual plantea la pregunta de si la gravedad requiere una descripción cuántica. «Se trata de una cuestión experimental que en estos momentos no se puede resolver con pruebas experimentales», comenta Markus Aspelmeyer, un físico cuántico de la Universidad de Viena. Para ayudar a responder a esta pregunta, Aspelmeyer dirige el proyecto financiado con fondos europeos QLev4G. El proyecto, que cuenta con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación, tiene por objeto desarrollar un nuevo método experimental basado en el control cuántico de partículas de estado sólido levitadas. Con ello, los investigadores esperan sentar las bases para realizar una nueva generación de experimentos que responda a la pregunta de si la gravedad requiere una descripción cuántica. «Por un lado, queríamos comprobar hasta qué tamaño podíamos reducir un objeto y seguir midiendo su campo gravitatorio», explica Aspelmeyer. «Por otro lado, queríamos ir en dirección contraria y constatar hasta qué tamaño podíamos ampliar un objeto y seguir observando su comportamiento cuántico». En teoría, las respuestas a estas preguntas permitirán a los investigadores diseñar experimentos con los que poder estudiar el campo gravitatorio generado por un objeto cuántico.

Avances importantes en los dos frentes

Según Aspelmeyer, el proyecto ha avanzado mucho tanto en el frente cuántico como en el de la gravedad. «En lo que respecta a la gravedad, conseguimos medir el campo gravitatorio de la masa de origen más pequeña hasta el momento en un experimento: una esfera de oro diminuta de solo 1 mm de radio y 90 mg de masa», comenta el físico. «En los experimentos de gravedad típicos, se usan masas al menos diez mil veces más grandes». En el ámbito cuántico, los investigadores utilizaron técnicas de enfriamiento láser de la física atómica para producir el estado fundamental cuántico de movimiento de una perla de vidrio de 150 nm. «Es la primera vez que un objeto de estado sólido de ese tamaño ha manifestado un comportamiento cuántico en un entorno a temperatura ambiente», añade Aspelmeyer. Según el investigador, la increíble sensibilidad del equipo de medición de la gravedad del laboratorio fue una sorpresa. Señala que su equipo no dejaba de detectar señales inesperadas, que procedían de la línea de meta del Maratón de Viena, a más de mil seiscientos metros. También pudieron calibrar un ruido de baja frecuencia usando una señal generada por un terremoto en Turquía. «Nos quedamos atónitos cuando descubrimos que nuestro trabajo detectaba incluso el campo gravitatorio del tranvía de Viena, que pasó a unos setenta metros del laboratorio», observa Aspelmeyer.

Una nueva plataforma para experimentos cuánticos a escala macroscópica

El proyecto QLev4G consiguió establecer los sólidos levitados como una nueva plataforma para experimentos cuánticos a escala macroscópica. «Este trabajo supone un avance hacia experimentos que estudiarán los fenómenos de la física cuántica gravitacional», concluye Aspelmeyer. «Espero que nuestro trabajo inspire a otras personas para abordar el reto de identificar y observar la conexión entre gravedad y física cuántica». Actualmente, los investigadores tratan de medir la gravedad de masas aún más pequeñas. Por otro lado, están creando un estado cuántico lo más grande posible para objetos del mayor tamaño posible. El objetivo final es poder aislar la gravedad como una fuerza de acoplamiento entre objetos que se puede controlar en el sistema cuántico.

Palabras clave

QLev4G, mecánica cuántica, teoría de la gravedad, experimento cuántico a escala macroscópica, física cuántica gravitacional, física

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