Descubren cómo eliminar el “ruido” que ocultaba el universo: un sensor cuántico acerca la búsqueda de materia oscura y ondas gravitacionales primordiales

Un equipo de científicos ha confirmado que un nuevo sensor cuántico puede detectar señales físicas ocultas incluso cuando el ruido experimental es mucho más intenso que la propia señal. El hallazgo resuelve uno de los principales obstáculos técnicos que limitaban la búsqueda de materia oscura y de ondas gravitacionales procedentes de los primeros instantes del universo.

La investigación, publicada en Nature por la colaboración AION, liderada por el Imperial College London, demuestra por primera vez en condiciones realistas que una estrategia propuesta desde hace años —comparar simultáneamente dos interferómetros atómicos separados— permite cancelar el ruido láser que hasta ahora amenazaba con inutilizar estos detectores. 

El resultado representa mucho más que una mejora técnica. Podría abrir una nueva ventana para observar fenómenos cósmicos inaccesibles a los telescopios y detectores actuales, desde formas desconocidas de materia hasta ondas gravitacionales generadas cuando el universo apenas acababa de nacer. 

El problema que impedía escuchar los susurros del cosmos

La física moderna se enfrenta a dos enigmas monumentales: identificar la naturaleza de la materia oscura y detectar nuevas fuentes de ondas gravitacionales. Ambos fenómenos generan señales extraordinariamente débiles, tan pequeñas que suelen quedar enterradas bajo el ruido generado por los propios instrumentos. 

Podría abrir una nueva ventana para observar fenómenos cósmicos inaccesibles a los telescopios y detectores actuales.

Para afrontar este desafío, los investigadores recurren a los interferómetros atómicos. Estos dispositivos utilizan nubes de átomos ultrafríos que son divididas y recombinadas mediante pulsos láser extremadamente precisos. La más mínima alteración en el movimiento de los átomos deja una huella detectable, convirtiéndolos en algunos de los sensores más sensibles jamás construidos. 

Pero existe un problema aparentemente insalvable. El mismo láser que permite realizar las mediciones introduce fluctuaciones de fase mucho mayores que las señales buscadas. En un detector de gran tamaño, estas perturbaciones pueden crecer hasta eclipsar por completo cualquier información útil.  Y aquí aparece el detalle que durante años inquietó a los físicos: ¿cómo distinguir una señal procedente de una hipotética partícula de materia oscura de una simple vibración del sistema experimental?

Dos interferómetros, una solución elegante

La respuesta llegó mediante una estrategia tan sencilla como poderosa. En lugar de confiar en un único interferómetro, los investigadores construyeron dos nubes separadas de átomos de estroncio-87 y las iluminaron con el mismo láser ultrapreciso. 

¿Cómo distinguir una señal procedente de una hipotética partícula de materia oscura de una simple vibración del sistema experimental?

La idea consiste en comparar ambas mediciones. Como el ruido afecta a los dos sistemas prácticamente de la misma forma, puede cancelarse al restar una señal de la otra. Lo que permanece es precisamente aquello que los científicos desean encontrar: una diferencia física real. 

Para poner a prueba el método, el equipo llevó el experimento al extremo. Introdujo artificialmente cantidades masivas de ruido, superiores a las que normalmente produciría el láser. El resultado parecía devastador: cada interferómetro individual perdió completamente su patrón de interferencia y dejó de proporcionar información útil. 

Sin embargo, ocurrió algo sorprendente. Cuando los investigadores compararon ambos detectores, la señal reapareció con claridad. Aunque cada medición parecía aleatoria por separado, la correlación entre ambas permitió recuperar la información original y alcanzar el límite fundamental impuesto por la mecánica cuántica.

Pero todavía había una prueba más exigente. Los científicos añadieron una señal oscilante artificial diseñada para imitar el efecto que produciría una onda gravitacional o un campo de materia oscura atravesando el detector. Incluso en ese escenario extremadamente ruidoso, la señal pudo identificarse con éxito.

Los intentos anteriores que allanaron el camino

Mucho antes de que este prototipo demostrara la cancelación efectiva del ruido láser, los físicos llevaban décadas buscando formas de utilizar átomos como herramientas para explorar el universo invisible. La idea parecía casi ciencia ficción: convertir nubes de átomos enfriadas hasta temperaturas cercanas al cero absoluto en detectores capaces de percibir fenómenos cósmicos imperceptibles para los instrumentos convencionales.

Uno de los primeros hitos llegó con el desarrollo de los interferómetros atómicos en las décadas de 1990 y 2000. Estos dispositivos demostraron una sensibilidad extraordinaria para medir la gravedad terrestre, detectar aceleraciones diminutas e incluso poner a prueba principios fundamentales de la relatividad. Sin embargo, sus dimensiones eran relativamente pequeñas y estaban lejos de alcanzar la precisión necesaria para buscar materia oscura o nuevas fuentes de ondas gravitacionales.

A medida que avanzaba la tecnología de relojes atómicos, surgieron proyectos cada vez más ambiciosos. En Europa nació la colaboración AION, mientras que en Estados Unidos se impulsó MAGIS (Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor) en Fermilab. Ambos programas perseguían un objetivo común: utilizar interferómetros separados por cientos o incluso miles de metros para explorar regiones del universo inaccesibles para detectores como LIGO o Virgo.

Pero existía un obstáculo persistente. Cuanto mayor era la distancia entre los sensores, mayor era también el ruido introducido por los láseres que controlan los átomos. Los modelos teóricos indicaban que una comparación diferencial entre dos interferómetros podría eliminar ese problema, pero nadie había logrado demostrarlo experimentalmente en condiciones realistas.

Cuanto mayor era la distancia entre los sensores, mayor era también el ruido introducido por los láseres que controlan los átomos.

Por eso el nuevo resultado tiene tanta relevancia. No se trata de la primera búsqueda de materia oscura mediante átomos ni del primer intento de construir detectores cuánticos de ondas gravitacionales, sino de la primera validación práctica de una técnica considerada esencial para que estos observatorios funcionen algún día a gran escala. En cierto modo, el estudio representa el paso que faltaba para transformar una promesa teórica en una tecnología viable.

Y hay mucho en juego. Si futuros proyectos como AION, MAGIS o la propuesta AICE en el CERN logran escalar esta tecnología, podrían abrir una nueva era de la astronomía, una en la que los propios átomos actúen como antenas capaces de escuchar los ecos más antiguos y esquivos del cosmos.

La puerta hacia una nueva astronomía cuántica

Este avance constituye la primera demostración experimental de un principio esencial para los futuros interferómetros atómicos de gran escala. Aunque el sistema actual es un prototipo de laboratorio, valida la arquitectura tecnológica que se utilizará en instalaciones mucho mayores. 

Cuando los investigadores compararon ambos detectores, la señal reapareció con claridad.

Dentro del programa AION, los investigadores trabajan ya en detectores capaces de operar a escalas mucho más ambiciosas. Entre las propuestas figura AICE, un proyecto asociado al CERN que aplicaría técnicas similares a distancias enormemente superiores. También existen colaboraciones con el experimento MAGIS en Fermilab, en Estados Unidos. 

La recompensa potencial es extraordinaria. Los interferómetros atómicos podrían explorar una banda de frecuencias gravitacionales situada alrededor de 1 hercio, una región prácticamente inexplorada que queda entre la sensibilidad de observatorios como LIGO y los futuros detectores espaciales como LISA. 

En esa franja podrían esconderse señales procedentes de agujeros negros de masa intermedia, fenómenos relacionados con transiciones de fase ocurridas en el universo primitivo o incluso indicios directos de nuevas partículas asociadas a la materia oscura.  Lo que hoy parece un experimento de laboratorio podría convertirse mañana en un observatorio capaz de escuchar ecos emitidos hace miles de millones de años. Es una idea fascinante: utilizar átomos enfriados casi hasta el cero absoluto para captar vibraciones que cruzan el tejido mismo del espacio-tiempo.

Como ocurre a menudo en la ciencia, el avance no consiste únicamente en descubrir algo nuevo, sino en aprender a eliminar aquello que nos impedía verlo. Y en este caso, al silenciar el ruido, los físicos podrían haber dado el primer paso hacia una nueva forma de observar el universo invisible.