Científicos de EE.UU. desarrollan sensores cuánticos para detectar materia oscura

El equipo de científicos, liderado por Claire Marvinney y Alberto Marino del Grupo de Computación y Detección Cuántica del ORNL, junto con colegas de Corea, ha logrado un avance significativo en la búsqueda de la elusiva materia oscura mediante técnicas de detección óptica cuántica.

Según el ORNL, los investigadores utilizaron una fuente de luz comprimida de dos modos en una configuración de interferómetro no lineal para medir dos cambios de fase óptica, empleando la reducción del ruido cuántico. "No podríamos alcanzar los límites de sensibilidad requeridos para detectar la materia oscura de forma clásica", explicó Marvinney, destacando la necesidad de una ventaja cuántica para mejorar la sensibilidad de los sensores.

La materia oscura, aunque se sospecha que constituye la mayor parte de la materia en el universo, sigue siendo hipotética y elusiva. No reacciona de manera discernible a la radiación electromagnética de la luz, lo que la hace invisible y no detectable por telescopios u otros dispositivos de detección que dependen de la luz. Sin embargo, su influencia es perceptible en el cosmos a través de sus impactos gravitacionales en objetos visibles.

"Los sensores optomecánicos, que son como pequeñas membranas o tambores, se mueven hacia adelante y hacia atrás cuando se les aplica una fuerza", explicó Marino. "La idea es que la materia oscura interactuará con estas membranas y las hará moverse. Al usar luz, particularmente al brillar un rayo láser sobre ella, podemos detectar el movimiento de la membrana. Con luz cuántica, como la luz comprimida que exhibe propiedades de ruido reducido, podemos detectar mejor ese movimiento, mejorando la sensibilidad de la medición".

El equipo utilizó dos sensores distribuidos y aprovechó dos recursos cuánticos para aumentar la sensibilidad de detección: la compresión, caracterizada por un ruido cuántico reducido por debajo del límite óptico clásico; y el entrelazamiento, caracterizado por correlaciones cuánticas entre haces ópticos. Sus hallazgos demuestran con éxito el uso de la compresión y el entrelazamiento como recursos para una mejor mejora cuántica dentro de una red distribuida de sensores cuánticos.

El esquema de detección distribuida utiliza sistemas optomecánicos para permitir la medición de la señal promedio de múltiples sensores independientes, lo que permite una detección mejorada cuánticamente de su movimiento colectivo, mejorando así la sensibilidad del sistema a señales distribuidas que interactúan con todos los sensores.

"Con una fuente de luz comprimida de dos modos, los dos modos iniciales están entrelazados", dijo Marvinney. "Podemos comenzar con el entrelazamiento directamente desde la fuente y construir a partir de ahí, aprovechando esa fuente, por lo que ese es el nuevo enfoque novedoso que estamos utilizando".

Los investigadores están desarrollando técnicas que serán necesarias para buscar materia oscura de masa ultraligera, uno de los dos candidatos de materia oscura propuestos para ser sensibles, a través de una interacción de quinta fuerza con una matriz de sensores optomecánicos. Este candidato a materia oscura podría ser tan ligero como 10 mil millonésimas de una billonésima de la masa de un electrón.

"La materia oscura de masa ultraligera es como una onda, y si tienes muchos sensores, interactuarán colectivamente con esta onda de materia oscura y verán la misma señal, en el sentido de que todos están midiendo la misma señal, y la lectura es una medición promedio de todos los sensores", explicó Marino.

Los enfoques de detección mejorados cuánticamente basados en la compresión y el entrelazamiento añaden precisión a una medición, haciéndolos más potentes que lo que es posible con técnicas de medición clásicas. "La señal de materia oscura se espera que sea tan pequeña que necesitamos todas las ventajas que podamos obtener", señaló Marvinney.

La búsqueda de materia oscura es comparable a la cartografía de un fondo marino en patrones de cuadrícula en medio de una búsqueda de un barco perdido, pero cada experimento solo está buscando dentro de un solo cuadrado en una vasta cuadrícula. A nivel internacional, muchos investigadores están trabajando en diferentes cuadrados de la misma cuadrícula, que gradualmente se va uniendo a medida que se revelan los descubrimientos.

El estudio también contó con contribuciones de investigadores del Instituto Coreano de Investigación de Estándares y Ciencia (Daejeon), la Universidad de Yonsei (Seúl) y el Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (Seúl). La financiación de la investigación fue proporcionada en parte por la Fase I del Centro de Ciencia Cuántica en ORNL, el programa QuantISED de la Oficina de Física de Alta Energía del Departamento de Energía, y subvenciones del gobierno coreano.

"La materia oscura ayudará a explicar no solo cómo se formó nuestro universo, sino también sus componentes", concluyó Marvinney. "Ayudará a las personas a comprender la física fundamental y cómo existen partículas y fuerzas adicionales".