Cuando Werner Heisenberg formuló su principio de incertidumbre en 1927, estableció un límite fundamental para nuestro conocimiento: cuanto más exactamente se conoce la posición de una partícula, menos precisión puede alcanzarse sobre su momento, y viceversa. Esta limitación no era un defecto de nuestros instrumentos, sino una propiedad esencial del mundo cuántico. Desde entonces, esta idea ha sido uno de los pilares de la mecánica cuántica, y ha resistido décadas de experimentos, teorías y desarrollos tecnológicos.
Ahora, un grupo de físicos de Australia y Reino Unido ha encontrado una manera de sortear este límite sin romperlo, modificando las reglas del juego con una elegancia matemática y experimental que ha captado la atención del mundo científico. El estudio, publicado en Science Advances en septiembre de 2025, demuestra que es posible medir posición y momento con una precisión superior a la considerada estándar, sin contradecir las leyes cuánticas. Lo lograron utilizando herramientas inspiradas en la computación cuántica y diseñando un protocolo que evita, en lugar de enfrentar, los obstáculos impuestos por Heisenberg.
Una idea que se cocina desde hace tiempo
La clave del avance está en un concepto llamado medición modular. En lugar de intentar medir directamente la posición o el momento, los investigadores midieron versiones “modulares” de estas variables, es decir, su valor dentro de un intervalo repetido (como el ciclo de las horas en un reloj). Según explica el artículo original, “esta restricción puede sortearse midiendo observables modulares conmutativos, que son equivalentes a las variables naturalmente incompatibles”.
Este enfoque permite evitar el enfrentamiento directo con el principio de incertidumbre, ya que las variables modulares no están sujetas a la misma relación de indeterminación. Se trata de una estrategia que ya se había propuesto teóricamente en 2017, pero que ahora ha sido demostrada experimentalmente por primera vez. Para lograrlo, el equipo utilizó un ion atrapado en un campo eléctrico —una partícula cargada suspendida en el vacío— y lo preparó en un estado cuántico especial llamado estado de rejilla (grid state).
El estado de rejilla permite hacer que ciertas combinaciones de posición y momento se comporten como si fueran medibles simultáneamente. Aunque no es posible conocer ambos valores con precisión absoluta, sí se pueden estimar pequeñas variaciones en esas variables con una sensibilidad mucho mayor que la habitual. En palabras del artículo: “preparamos estados de rejilla […] y demostramos incertidumbres en posición y momento por debajo del límite cuántico estándar”.
La analogía del reloj que lo explica todo
Para ilustrar el concepto, los autores emplean una imagen que resulta especialmente accesible: un reloj analógico con solo una aguja. Si el reloj tiene únicamente la aguja de las horas, podemos saber qué hora es y deducir aproximadamente qué minuto; pero si solo tiene la de los minutos, sabremos el minuto exacto sin saber en qué hora estamos. Esto refleja lo que ocurre en su experimento: se sacrifica información global para mejorar la precisión en los detalles que importan.
Este tipo de medición, llamada modular, permite desplazar la incertidumbre cuántica hacia aspectos menos relevantes, logrando una mejora efectiva en la sensibilidad. “Las variables modulares de posición y momento se pueden hacer conmutativas, permitiendo una estimación con incertidumbres por debajo del límite cuántico estándar”, escriben los autores.
En otras palabras, no se viola el principio de Heisenberg. Se eluden sus efectos más limitantes aplicando una arquitectura de medición distinta, enfocada en rangos pequeños y señales sutiles. Esta idea, que parecía solo posible sobre el papel, ahora se ha materializado en el laboratorio.
De la computación cuántica a la metrología
Una parte destacada del experimento es que reutiliza tecnologías y conceptos creados originalmente para la computación cuántica con corrección de errores. La manipulación de los llamados estados de rejilla y el uso de algoritmos de estimación de fase cuántica (Quantum Phase Estimation, QPE) —una técnica común en circuitos cuánticos— se trasladaron al campo de la metrología, es decir, al arte de medir con precisión.
Los investigadores utilizaron un ion de iterbio (171Yb+) en un trampa de Paul a temperatura ambiente. La vibración del ion, controlada por láseres, sirvió como sistema cuántico donde preparar y manipular los estados de rejilla. “Nuestro experimento utiliza un único modo de vibración de un ion atrapado como sonda cuántica”, indican los autores.
A través de este montaje, se logró realizar una secuencia de estimaciones multiparámetro, detectando simultáneamente desplazamientos en posición y momento con una precisión superior al límite cuántico estándar (SQL), que es el límite habitual cuando se emplean métodos clásicos.
Dos observables incompatibles, un mismo detector
El principio de Heisenberg impide conocer simultáneamente dos variables que no conmutan, como número y fase, o posición y momento. Sin embargo, este estudio demuestra que sí es posible estimar desplazamientos en ambas variables a través de sus versiones modulares, evitando la típica interferencia entre ellas.
Los resultados son contundentes: “logramos una ganancia metrológica de 5,1(5) dB sobre el límite cuántico estándar utilizando estados de rejilla”. Además, aplicaron una variante adaptativa del algoritmo QPE que permitió reducir aún más la varianza combinada de las estimaciones, logrando mediciones más precisas con menos repeticiones .
No solo se limitaron a la pareja posición-momento. En una segunda parte del experimento, los investigadores emplearon estados NP (número-fase), una clase de estados cuánticos que habían sido solo teóricos hasta ahora. Este es el primer experimento que los implementa y los utiliza como recursos de medida, según el artículo original.
Lo que esto significa para el futuro de la física
Este avance tiene implicaciones importantes para una gran variedad de campos. Detectar cambios diminutos en variables físicas es esencial en navegación sin GPS, imágenes médicas avanzadas, geofísica, y la búsqueda de materia oscura. Sensores que logren medir pequeñas fuerzas, desplazamientos o cambios de fase con precisión extrema podrían abrir la puerta a tecnologías hasta ahora inalcanzables.
Además, el diseño es altamente compatible con futuros sistemas de sensores interconectados o con lógica cuántica. Como señalan los autores, “nuestro sensor de desplazamiento multiparámetro puede utilizarse para detección de fuerzas insensibles a la fase”, lo que lo convierte en una herramienta versátil para nuevas generaciones de instrumentos científicos .
La comunidad científica también destaca otro aspecto: la colaboración entre teóricos y experimentales, repartidos entre Australia y Reino Unido, fue clave para llevar esta idea del papel al laboratorio. El trabajo une física fundamental, ingeniería cuántica y diseño experimental de alto nivel.
Referencias
- Christophe H. Valahu, Matthew P. Stafford, Zixin Huang, Vassili G. Matsos, Maverick J. Millican, Teerawat Chalermpusitarak, Nicolas C. Menicucci, Joshua Combes, Ben Q. Baragiola, Ting Rei Tan. Quantum-enhanced multiparameter sensing in a single mode. Science Advances, 24 de septiembre de 2025. DOI: 10.1126/sciadv.adw9757.
Cortesía de Muy Interesante
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