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Los sensores de última generación, como los escáners de imagen por resonancia magnética (IRM) y los relojes atómicos, son capaces de realizar mediciones con muy alta precisión. La IRM se utiliza para obtener imagénes de tejidos profundos dentro del cuerpo humano y nos indica si podemos estar padeciendo una enfermedad, mientras que los relojes atómicos son cronómetros muy precisos utilizados para el GPS, la sincronización de Internet, o incluso para interferometría de larga base en radioastronomía. Aunque se podría pensar que estos dos instrumentos no tienen nada en común, ambas tecnologías se basan en la medición precisa del spin del átomo, el movimiento giroscópico de los electrones y el núcleo (un fenómono que pertenece a la física cuántica). Respecto a los escáners de IRM, por ejemplo, el ángulo de orientación del spin proporciona información sobre dónde se encuentra el átomo en el cuerpo, mientras que la cantidad de spin (la amplitud) se utiliza para distinguir diferentes tipos de tejido. Combinando ambos parámetros, la IRM puede obtener un mapa en 3D de los tejidos en el cuerpo.

Durante mucho tiempo, se creyó que la precisión en estas mediciones estaba limitada por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que medir con precisión una propiedad de un átomo fija un límite a la precisión de medición que se puede obtener en otra de sus propiedades. Por ejemplo, si medimos la posición de un electrón con alta precisión, el principio de Heisenberg limita la precisión en la medición de su momento, es decir, su velocidad. Dado que la mayoría de los instrumentos atómicos miden dos propiedades (amplitud y ángulo del spin), el principio parece indicar que las mediciones siempre contendrán cierta incertidumbre cuántica. Sin embargo, esta condición asumida desde hace tiempo ha sido refutada por un grupo de investigación del ICFO, formado por Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet y Robert J. Sewell, dirigidos por el profesor ICREA del ICFO Morgan W. Mitchell. En su estudio Simultaneous tracking of spin angle and amplitude beyond classical limits, publicado esta semana en Nature, describen como un instrumento bien diseñado puede circunvalar casi por completo la incertidumbre cuántica.

El truco consiste en darse cuenta de que el spin no tiene uno, sino dos ángulos que lo describen, uno para la dirección norte-este-sur-oeste y el otro para determinar la elevación por encima del horizonte. El equipo de ICFO ha demostrado en este estudio cómo trasladar casi toda la incertidumbre al ángulo que no es medido por el instrumento. De esta manera, lograron obedecer la exigencia del principio de incertidumbre de Heisenberg, pero ocultaron la incertidumbre en uno de los parámetros que no “podía hacer daño”. Como resultado, fueron capaces de obtener una medida de amplitud angular con una precisión sin precedentes, sin ser afectada por la incertidumbre cuántica.

En la imagen de la derecha: evolución de un spin y su incertidumbre, al orbitar a causa de un campo magnètic. La incertidubmre, inicialmente igual en totas les direcciones, se comprime en las dos componentes en el plano, de forma que es posible realizar medidas de alta precisión.