Un reloj analógico preciso tic-tic-tic con una precisión constante y una frecuencia bien conocida:un tic por segundo. Cuanto más tiempo lo dejes funcionar, mejor probar su precisión; diez veces más tiempo corresponde a una mejora de diez veces en cualquier incertidumbre de frecuencia. Pero, ¿existe una forma más rápida de determinar una frecuencia?

Resulta que hay en un nuevo descubrimiento publicado esta semana en Cartas de revisión física mediante una colaboración entre un profesor de la Universidad de Washington en St. Louis y un estudiante de posgrado junto con un investigador de la Universidad de Rochester.

La aceleración en la medición de frecuencia proviene de la mecánica cuántica. Cuando se usa un bit cuántico para medir la frecuencia de una señal, las extrañas reglas de la mecánica cuántica permiten que la medición de frecuencia sea mucho más precisa. La técnica depende de la capacidad de poner el bit cuántico en una superposición de sus dos estados cuánticos, y luego cambiar estos estados en el tiempo con la señal.

Kater Murch, profesor asistente de física en las artes y las ciencias, junto con el estudiante graduado Mahdi Naghiloo y el colaborador teórico Andrew Jordan de Rochester describieron la técnica como un "truco de magia cuántica".

"Es una reminiscencia de los trucos de magia que involucran una bola colocada debajo de una de las dos tazas y las tazas se mezclan, excepto que esta vez, la bola puede estar debajo de ambas tazas al mismo tiempo, "Dijo Murch." La aceleración resultante en la medición de frecuencia es asombrosa. Ahora, midiendo 10 veces más tiempo, la incertidumbre de la frecuencia se puede reducir en un factor de 100, lo que permite una resolución mejorada de la frecuencia más allá de cualquier otra técnica de este tipo. El trabajo teórico anterior publicado por el grupo de Jordan este año ha demostrado en dos artículos separados que la técnica aplicada en este artículo es el óptimo teórico que permite la mecánica cuántica ".

El experimento se completó utilizando un sistema cuántico superconductor en el que una señal oscilante externa con frecuencia desconocida provocó que el sistema cuántico sufriera cambios periódicos. Aplicando pulsos cuánticos sobre la señal oscilante, el estado del sistema podía controlarse de modo que la lectura final del sistema cuántico se volviera muy sensible al valor preciso de la frecuencia de oscilación. La fuente física subyacente de la ventaja está relacionada con el hecho de que la energía del sistema cuántico depende del tiempo, lo que hace que los estados cuánticos correspondientes a diferentes frecuencias se aceleren entre sí, dando una mayor distinción en un momento dado.

Este método permitió una resolución mejorada de la frecuencia más allá de cualquier otra técnica de este tipo, Dijo Jordan.

Este trabajo es solo un ejemplo de cómo el nuevo campo de las tecnologías cuánticas utiliza las leyes de la física cuántica para obtener ventajas tecnológicas sobre la física clásica. Dijo Jordan. Otros ejemplos incluyen la computación cuántica, detección cuántica y simulación cuántica. Para esos campos, la explotación de la física cuántica proporciona beneficios como la aceleración de la búsqueda de bases de datos, la factorización de grandes números o la rápida simulación de moléculas complejas.

Esta medición a escala fina de la frecuencia de una señal periódica es el ingrediente fundamental en diversas aplicaciones, incluidos los dispositivos de imágenes médicas de resonancia magnética, el análisis de la luz emitida por las estrellas y, por supuesto, precisión del reloj. Acelerar estas mediciones de una manera que Murch y Jordan han demostrado podría tener impactos profundos en muchas áreas.

Murch y Naghiloo utilizaron cronometraje y GPS, y tecnologías en constante avance, como ejemplos de la importancia de sus hallazgos.

"Hoy en día, la mayoría de nosotros llevamos un teléfono en el bolsillo que es capaz de decirnos casi exactamente dónde estamos en la Tierra usando el Sistema de Posicionamiento Global, ", Dijo Murch." La forma en que esto funciona es que su teléfono recibe señales de varios satélites diferentes, y cronometrando la llegada relativa de estas señales infiere su posición. La precisión de la sincronización se relaciona directamente con la precisión de su posición, una relación entre el cronometraje y la navegación que ha persistido durante cientos de años.

"Mucho antes del GPS, un marinero que quisiera saber su ubicación navegaría por las estrellas. En el hemisferio norte, la altura de la estrella del norte te dirá tu latitud, pero conocer tu longitud, necesita realizar un seguimiento del tiempo. A medida que avanza la noche las estrellas giran alrededor de la estrella del norte; la altura de cualquier estrella sobre el horizonte está relacionada con la hora local, y al comparar esta hora con un reloj ajustado a la hora media de Greenwich, la diferencia horaria da tu longitud ".

El cronometraje náutico subraya la vitalidad de los avances de frecuencia.

"En el 1700, Los relojes precisos eran la principal limitación para la navegación oceánica, ", Dijo Murch." El desastre naval de Scilly de 1707 - uno de los peores desastres en la historia naval británica - fue ampliamente atribuido a la mala navegación, lo que llevó al gobierno británico a invertir fuertemente en relojes precisos. Los cronómetros resultantes transformaron la navegación marina y aceleraron enormemente la era de los descubrimientos.

"Los avances en el cronometraje continúan teniendo un profundo impacto en la tecnología y la ciencia fundamental. Las herramientas cuánticas, como la aceleración cuántica en la medición de frecuencia que descubrimos, son necesarios para impulsar estas tecnologías. Este es un momento emocionante para la física cuántica porque estos recursos cuánticos están conduciendo cada vez más a ventajas prácticas sobre los enfoques de medición tradicionales ".