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| Según un nuevo estudio del MIT, los relojes, láseres y otros osciladores podrían ajustarse con precisión supercuántica, lo que permitiría a los investigadores rastrear diferencias infinitesimales en el tiempo. Créditos:Image: MIT News; iStock |
El ruido ambiental afecta a la estabilidad de los relojes. La oscilación de un péndulo puede desequilibrarse con un ligero viento. Además, el calor puede hacer que los átomos de un reloj atómico dejen de oscilar. Eliminar este tipo de factores externos puede aumentar la precisión de un reloj. Pero sólo hasta cierto punto.
Según un estudio reciente del MIT, los fenómenos de la mecánica cuántica podrían seguir afectando a la estabilidad de osciladores como relojes y rayos láser, incluso si se elimina todo el ruido externo. El ruido cuántico limita la precisión de los osciladores.
Sin embargo, es posible superar este límite cuántico. Los científicos han demostrado que es posible aumentar la estabilidad de un oscilador más allá de su límite cuántico ajustando, o "exprimiendo", los estados que dan lugar al ruido cuántico.
Vivishek Sudhir, profesor adjunto de Ingeniería Mecánica en el MIT, afirma: "Lo que hemos demostrado es que hay un límite a la estabilidad de osciladores como los láseres y los relojes, que no sólo viene determinado por su entorno, sino por el hecho de que la mecánica cuántica les obliga a moverse un poco. Además, hemos demostrado que hay formas de evitar estas sacudidas de la mecánica cuántica. Pero hay que ser más inteligente que aislar la cosa de su entorno. Hay que jugar con los propios estados cuánticos".
Los científicos están experimentando ahora para poner a prueba esta teoría. Si tienen éxito, podrán manipular los estados cuánticos de un sistema oscilante. También podrían sintonizar relojes, láseres y otros osciladores con una precisión supercuántica. Estos sistemas podrían utilizarse para seguir diferencias infinitesimales en el tiempo.
Los científicos empezaron analizando el láser, un oscilador óptico que produce un haz ondulatorio de fotones altamente sincronizados. Desde la invención del láser, los inventores plantearon la hipótesis de que la estabilidad de un láser estaría limitada por el ruido cuántico. Desde entonces, numerosos científicos han utilizado la microscopía láser para poner a prueba su teoría. Demostraron, mediante cálculos exactos, que la estabilidad de las oscilaciones del láser podría estar limitada por sutiles interacciones cuánticas entre sus átomos y fotones.
Sudhir afirma: "Pero este trabajo requería cálculos extremadamente detallados y delicados, de modo que se comprendía el límite, pero sólo para un láser concreto. Queríamos simplificarlo enormemente, para entender los láseres y una amplia gama de osciladores".
En lugar de centrarse en los entresijos físicos de un láser, los científicos se centraron en simplificar el problema. Crearon una representación simplificada de un oscilador de tipo láser.
Su modelo incluye un amplificador (como los átomos de un láser), una línea de retardo (por ejemplo, el tiempo que tarda la luz en viajar entre los espejos de un láser) y un acoplador (como un espejo parcialmente reflectante).
A continuación, se registraron las ecuaciones físicas que describían el comportamiento del sistema y se realizaron cálculos para determinar los lugares en los que surgiría ruido cuántico dentro del sistema.
Al abstraer este problema a un oscilador simple, los científicos pueden identificar los dos puntos en los que las fluctuaciones cuánticas entran en el sistema: el acoplador que permite extraer una señal del oscilador y el amplificador.
Conocer estas dos cosas significa conocer el límite cuántico de la estabilidad de ese oscilador.
Además, el grupo demostró que si se pudiera "exprimir" el ruido cuántico en una de las dos fuentes, se podría eludir esta restricción cuántica. El concepto de "compresión cuántica" describe cómo un componente del sistema puede minimizar las fluctuaciones cuánticas al tiempo que aumenta proporcionalmente las fluctuaciones en otro aspecto. Exprimir el aire de una zona de un globo en otra produce un efecto similar.
Los científicos descubrieron que en el caso de un láser, aunque aumentara el ruido en la salida del láser, exprimir las fluctuaciones cuánticas en el acoplador podría mejorar la precisión, o la sincronización de las oscilaciones, en el rayo láser saliente.
Además, el grupo demostró que si el ruido cuántico en una de las dos fuentes pudiera "exprimirse", esta restricción cuántica podría eludirse. El concepto de "compresión cuántica" describe cómo un componente del sistema puede minimizar las fluctuaciones cuánticas al tiempo que aumenta proporcionalmente las fluctuaciones en otro aspecto. Exprimir el aire de una zona de un globo en otra produce un efecto similar.
Los científicos descubrieron que en el caso de un láser, aunque aumentara el ruido en la salida del láser, exprimir las fluctuaciones cuánticas en el acoplador podría mejorar la precisión, o la sincronización de las oscilaciones, en el rayo láser saliente.
Sudhir afirma que los científicos pueden utilizar las ecuaciones que exponen en su estudio para calcular el límite cuántico en sus osciladores.
"Cuando se encuentra algún límite mecánico cuántico, siempre se plantea la cuestión de lo maleable que es ese límite. ¿Es un tope duro, o aún se puede extraer algo de jugo manipulando algo de mecánica cuántica? En este caso, encontramos que hay un resultado que es aplicable a una enorme clase de osciladores".
Fuentes, créditos y referencias: