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22 de Abril de 2021
Observación espacial

En busca de la astronomía cuántica

Varias técnicas usadas en el estudio del mundo subatómico podrían permitir la construcción de telescopios ópticos con un diámetro efectivo de cientos de kilómetros.

Compuesto por cuatro telescopios de 8,2 metros que pueden actuar como uno solo, el Telescopio Muy Grande (Very Large Telescope, o VLT) del Observatorio Europeo Austral, en Chile, constituye el principal instrumento astronómico para la interferometría óptica. Sin embargo, nuevos métodos basados en la física cuántica podrían permitir fabricar interferómetros ópticos mucho más grandes y potentes. [Juan Carlos Muñoz Mateos/ESO]

Hace unos años, los investigadores emplearon el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT, por sus siglas en inglés), que capta ondas de radio, para llevar a cabo una observación que sigue siendo un sueño para la mayoría de los astrónomos. En abril de 2019, el EHT anunció que había logrado fotografiar la «sombra» de un agujero negro supermasivo situado en una galaxia cercana. Para ello, los investigadores combinaron las observaciones de ocho radiotelescopios repartidos a lo largo del planeta. Esta técnica, denominada interferometría, le confirió al EHT la misma resolución que tendría un telescopio del tamaño de la Tierra.

Sin embargo, en luz visible —la misma que usan el telescopio espacial Hubble y otros observatorios famosos para tomas sus majestuosas imágenes—, los interferómetros actuales solo pueden combinar la luz de instrumentos separados como mucho por unos cientos de metros. Pero esa limitación podría superarse dentro de poco. Gracias a nuevas técnicas tomadas de la física cuántica, los astrónomos aspiran a conectar telescopios ópticos situados a decenas o incluso a cientos de kilómetros de distancia.

Esos interferómetros ópticos se basarían en los avances que se están produciendo en el campo de las comunicaciones cuánticas y, en particular, en el desarrollo de dispositivos para almacenar los delicados estados cuánticos de los fotones que capta cada telescopio. Estos «discos duros cuánticos» se transportarían físicamente a una localización central, donde se recuperarían los datos de cada telescopio y se combinarían con los de los demás para revelar de manera conjunta los detalles de los objetos celestes.

La técnica recuerda al emblemático experimento de la doble rendija, realizado por primera vez por el físico Thomas Young en 1801, donde la luz incide sobre una barrera opaca con dos ranuras. Al atravesarlas, la luz se recombina al otro lado de la barrera y genera un patrón de interferencia de franjas brillantes y oscuras, también conocido como interferograma. Eso ocurre incluso cuando los fotones atraviesan las rendijas de uno en uno: a medida que se vayan acumulando con el tiempo, el patrón de interferencia seguirá apareciendo.

«Si tenemos dos telescopios que puedan comportarse como las rendijas de Young y logramos obtener el interferograma de una fuente de luz, como una estrella, ese interferograma nos daría mucha información sobre la fuente», explica Jonathan Bland-Hawthorn, astrónomo de la Universidad de Sídney cuyo equipo propone usar discos duros cuánticos para construir interferómetros ópticos. Algún día, esos instrumentos podrían ayudar a los astrónomos a medir con más precisión los tamaños y movimientos intrínsecos de estrellas y las galaxias, los cuales que resultan esenciales para estudiar la evolución del cosmos.

El problema de la luz visible

Aunque los radioastrónomos ya han construido algunos interferómetros impresionantes, como el EHT, eso se debe en gran parte a que es más fácil realizar interferometría en las frecuencias de radio que en las visibles por tres razones fundamentales.

En primer lugar, las antenas de radio son más baratas de fabricar que los telescopios ópticos, lo que permite construir un gran número de ellas (para aumentar el área que recoge la señal y, por lo tanto, la sensibilidad) y separarlas (para mejorar la resolución). En segundo lugar, numerosos objetos astronómicos emiten potentes señales de radio, lo que permite registrarlas en antenas individuales para luego correlacionarlas. Sin embargo, las fuentes ópticas suelen ser mucho más débiles, hasta el punto de que, a menudo, los telescopios deben acumular la luz de un objeto celeste literalmente fotón a fotón, lo que convierte la interferencia en un fenómeno cuántico. Por último, la atmósfera terrestre distorsiona la luz visible, por lo que los telescopios disponen de poco tiempo para captar los fotones antes de que las capas de aire turbulento perturben su fase o coherencia.

Esas restricciones han limitado las «líneas de base» de los interferómetros ópticos; es decir, la máxima separación a la que es posible conectar telescopios. Por ejemplo, el Centro de Astronomía de Alta Resolución Angular (CHARA) es un conjunto de seis telescopios ópticos de un metro situado en el Observatorio de Monte Wilson, en California, cuya mayor línea de base alcanza los 330 metros. Y el interferómetro GRAVITY del Observatorio Europeo Austral (ESO), que conecta cuatro telescopios de 8,2 metros en el Observatorio Paranal, en Chile, tiene una línea de base máxima de 130 metros.

«De todos los interferómetros (de cualquier tipo) que hay en el mundo, el más impresionante es el instrumento GRAVITY del ESO», asegura Bland-Hawthorn. «Ahora imaginemos un GRAVITY [con una línea de base] de más de un kilómetro, de tres kilómetros o de diez kilómetros.»

Con las técnicas ópticas habituales, esa idea seguiría siendo difícil de llevar a la práctica, ya que hay que transmitir los fotones que recoge cada telescopio a través de fibra óptica hasta algún lugar donde puedan combinarse. Además, los fotones de algunos telescopios deben permanecer a la espera en «líneas de retardo», a menudo compuestas por fibras ópticas, para garantizar que la luz de todos los telescopios recorra la misma distancia. Si las líneas de transmisión o de retardo son demasiado largas —lo que ocurre para escalas muy inferiores al kilómetro—, los fotones acaban siendo absorbidos o dispersados, por lo que es imposible hacer que interfieran.

Atajo cuántico

O, al menos, es imposible sin la ayuda de la física cuántica. En 2011, Daniel Gottesman, del Instituto Perimeter de Física Teórica de Ontario, y sus colaboradores propusieron colocar una fuente de fotones entrelazados a medio camino entre dos telescopios distantes. La fuente genera un par de fotones entrelazados y envía uno a cada telescopio, donde interfieren con otro fotón procedente de un objeto celeste. Después, las interferencias registradas en cada telescopio se pueden usar para reconstruir un interferograma.

Aunque pueda parecer sencillo, para conseguir líneas de base más largas en los interferómetros ópticos habría que usar repetidores cuánticos, dispositivos caros y complejos fabricados a medida para distribuir partículas entrelazadas a grandes distancias. Estos, sin embargo, se hallan en las antípodas de las soluciones técnicas existentes hoy en día.

Ahora, Bland-Hawthorn ha comenzado a trabajar con John Bartholomew, experto en tecnologías cuánticas de la Universidad de Sídney, y con Matthew Sellars, de la Universidad Nacional de Australia en Canberra, para diseñar interferómetros ópticos que no requieran fotones entrelazados ni repetidores cuánticos.

La idea básica es sencilla: consideremos dos telescopios de 8 metros separados por decenas de kilómetros. Los estados cuánticos de los fotones que llegan a cada telescopio (básicamente, la amplitud y la fase de la luz en función del tiempo) se almacenan en discos duros cuánticos. Los astrónomos transportarían físicamente (en coche, tren o avión) esos discos a un lugar donde «leerían» los estados cuánticos y los harían interferir para generar un interferograma.

Bartholomew y sus colaboradores han estado trabajando en discos duros cuánticos que podrían servir para construir un interferómetro de ese tipo en el futuro. En 2015, el grupo propuso almacenar los estados fotónicos en los estados de espín nuclear de ciertos iones, contenidos en un cristal de ortosilicato de itrio dopado con europio (abreviado como Eu:YSO).

En teoría, en un cristal conservado a una gélida temperatura de 2 kelvin, los estados de espín deberían mantenerse coherentes («subsistir») durante períodos de hasta un mes y medio, apunta Bartholomew. En una demostración de laboratorio, su equipo obtuvo un resultado más modesto pero igualmente admirable, al conseguir que los estados de espín permanecieran coherentes durante seis horas. «Solíamos bromear con poner el sistema de memoria en la parte de atrás de un Toyota Corolla y lanzarnos a la carretera», rememora. «Se podría llegar bastante lejos.»

Sin embargo, el experimento de 2015 no almacenó estados fotónicos en los estados de espín y los recuperó más tarde: se limitó a demostrar que los estados de espín se mantenían coherentes durante horas.

En una prepublicación de diciembre de 2020, Chuan-Feng Li, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, y sus colaboradores anunciaron que habían usado cristales de Eu:YSO para almacenar los estados coherentes de los fotones y recuperarlos al cabo de una hora, verificando la fidelidad del método mediante experimentos de interferencia. «Conectar telescopios ópticos distantes por medio de discos duros cuánticos es una gran idea», valora Li. «Y debería ser factible con las memorias cuánticas basadas en Eu:YSO en las que estamos trabajando. Los discos duros podrían transportarse en camiones y helicópteros.»

A Nora Tischler, física cuántica de la Universidad Libre de Berlín que no participó en ninguno de estos estudios, también le intriga la idea de usar discos duros cuánticos para construir interferómetros ópticos. «Aunque la propuesta es muy exigente desde el punto de vista técnico, cabe destacar que se podrían aprovechar desarrollos ya existentes e independientes», sostiene. «La comunidad [de expertos en física] cuántica está trabajando mucho para optimizar las memorias cuánticas como parte del intento de construir futuras redes cuánticas.» Dichas memorias podrían conformar la base de los discos duros cuánticos.

Según Bartholomew, el siguiente paso será verificar que los discos duros cuánticos aguantan las vibraciones y aceleraciones que experimentarían durante el transporte. «Hay que caracterizar los efectos que tienen esas fuerzas en el almacenamiento cuántico», incide. «Pero hay razones para el optimismo, ya que estos estados de espín nuclear son muy insensibles a ese tipo de perturbaciones.»

Un reto complejo

Aun así, no hay garantías de que la técnica vaya a tener éxito en la práctica. Y además, tiene competencia. En 2019, Johannes Borregaard, actualmente en la Universidad de Tecnología de Delft, y sus colaboradores ampliaron la solución propuesta por Gottesman en 2011 cuando diseñaron un método para comprimir la información que reciben los telescopios, conservando solo los fotones relevantes y descartando el resto.

Eso exigiría muchas menos interacciones con pares de fotones entrelazados, los cuales son difíciles de producir al ritmo que precisa la interferometría si no se comprime la información que llega a los telescopios. E incluso con la compresión, las líneas de base más largas seguirían necesitando repetidores cuánticos. Borregaard afirma que aún no está claro cuál de los dos métodos (los discos duros cuánticos o una combinación de fotones entrelazados y repetidores cuánticos) será el primero en resolver el problema de la interferometría óptica. «Ambos plantean retos», opina.

Aun suponiendo que lográramos resolver el lado cuántico de la ecuación, John Monnier, astrónomo experto en interferometría óptica e infrarroja de la Universidad de Míchigan, se muestra prudente. Los interferómetros ópticos con líneas de base más y más largas observarán objetos cada vez más pequeños y tenues, lo que implica menos fotones por unidad de tiempo.

Para contrarrestar los efectos perjudiciales de la atmósfera, los astrónomos siempre tienen la opción, muy cara, de aumentar el tamaño de los telescopios, o la increíblemente cara de lanzarlos al espacio, donde no hay atmósfera. También pueden recurrir a la óptica adaptativa, una técnica que consiste en usar la luz de un objeto de referencia brillante que se encuentre cerca de la estrella o galaxia de interés para corregir los efectos de la atmósfera. Pero, a diferencia de lo que ocurre en radioastronomía, donde las fuentes luminosas son relativamente abundantes, en las longitudes de onda visibles «es muy raro encontrar un objeto brillante y próximo al que queremos estudiar», lamenta Monnier.

En el futuro, es posible que los interferómetros ópticos con grandes líneas de base empleen la misma clase de óptica adaptativa que utilizan hoy los telescopios individuales, los cuales proyectan potentes láseres para crear estrellas de referencia artificiales (estrellas guía) en el cielo. Pero las estrellas guía láser actuales no son adecuadas para interferómetros con líneas de base de decenas de kilómetros.

Teniendo en cuenta estas limitaciones, la construcción de interferómetros ópticos va a requerir algo más que discos duros cuánticos, advierte Monnier. «[Esos discos] podrían ser una parte muy interesante de un futuro que también incluya algún nuevo tipo de estrella guía láser para los interferómetros o los grandes telescopios.»

¿Una nueva era?

Si ese futuro se hace realidad, Bland-Hawthorn considera que se abrirá una nueva era para la astronomía óptica, en particular con interferómetros que empleen los telescopios de 30 y 39 metros que se están construyendo en Hawái y Chile, respectivamente.

Bland-Hawthorn también cree que lograremos distinguir las estrellas que componen los sistemas binarios o las enanas blancas como Sirio B, medir de forma más precisa el tamaño de las estrellas y su velocidad intrínseca a través del cielo (lo que se conoce como movimiento propio) y resolver con más detalle los astros que giran alrededor del agujero negro situado en el centro de nuestra galaxia. «Hacer un seguimiento de las estrellas que orbitan en torno a ese agujero negro nos permitirá explorar de una forma distinta la teoría de la relatividad general», añade Bland-Hawthorn.

Más allá de la Vía Láctea, el investigador piensa que los telescopios de 40 metros conectados por discos duros cuánticos podrán distinguir las estrellas de galaxias tan lejanas como las del cúmulo de Virgo, así como medir los movimientos propios de esas galaxias. «Este último experimento es muy relevante para estudiar cómo evolucionó la estructura a gran escala debido a la materia oscura subyacente y a la emergencia de la energía oscura», concluye Bland-Hawthorn.

Anil Ananthaswamy

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