En los métodos de detección convencionales, el ruido siempre es un problema, especialmente en sistemas que están destinados a detectar cambios en su entorno que son apenas más grandes o incluso más pequeños que el ruido en el sistema. Al encontrar este problema en sus experimentos con fotones en interacción, El físico de AMOLF, Said Rodríguez, pensó en una forma de evitarlo. En un artículo que se publicará en Revisión física aplicada , demuestra cómo el ruido puede convertirse en un recurso para la detección óptica en lugar de en un problema.

"Usar ruido para mejorar los métodos de detección es contradictorio, "dice Said Rodríguez." Imagínese tratando de ver las letras más grandes en una prueba de la vista y fallando. Luego, imagina cómo un terremoto repentino te ayuda a ver incluso las letras más pequeñas en la prueba. Agitar las moléculas de aire entre la pantalla y los ojos le ayudará a leer las letras minúsculas. Esto es similar a lo que ocurre en el sensor óptico que propongo ”.

Pequeños cambios en el medio ambiente.

Como muchos investigadores en el campo de la óptica, Rodríguez trabaja con sistemas resonantes que pueden detectar pequeños cambios en su entorno. Un sensor óptico típico se basa en una cavidad, un espacio vacío con luz láser resonando entre dos espejos. La frecuencia de resonancia depende de lo que suceda dentro y alrededor de la cavidad. "Por ejemplo, un gas que fluye a través de la cavidad cambia la frecuencia de resonancia, pero también lo hace un cambio de temperatura o presión, "Rodríguez explica." Un detector típico mide este cambio en la frecuencia de resonancia como un cambio en la intensidad de la luz que sale de la cavidad. Sin embargo, fluctuaciones de intensidad, es decir., ruido, perturbar siempre la medición. La forma más común de reducir el efecto nocivo del ruido es promediar la señal durante un largo período de tiempo. Esto limita la velocidad de detección, mientras que en la gran mayoría de aplicaciones es muy valioso detectar lo más rápido posible. Es más, la velocidad de detección siempre está limitada por el ruido; incluso si se suprime todo el ruido clásico (por ejemplo, térmico), permanece el ruido cuántico ".

Abrazar el ruido para una detección más rápida

Si bien la mayoría de los sensores ópticos son lineales (la luz que sale es una función lineal de lo que entró), Rodríguez propone un esquema de detección óptica basado en la no linealidad, lo que significa que los fotones pueden interactuar eficazmente entre sí dentro del sensor. "Dentro de la cavidad óptica, añadimos un material que influye en la luz resonante de forma no lineal. La luz que sale no es una función lineal de lo que entró, pero es biestable:para una entrada dada, la salida tiene dos valores posibles, ", dice." Debido al ruido inherente en el sistema, la salida del sensor cambia aleatoriamente entre esos dos valores. Cuando la frecuencia de resonancia de la cavidad cambia (por ejemplo, porque una partícula entra en la cavidad), este patrón de volteo también cambia ".

El análisis de las estadísticas del patrón de volteo revela el cambio en la frecuencia de resonancia. Dado que el ruido aumenta la tasa de cambio entre los dos valores, y una mayor tasa de cambio significa que se necesita menos tiempo para adquirir suficientes estadísticas, esto significa que el ruido acelera el sensor. Rodríguez:"En los sensores convencionales, el aumento del ruido aumenta el tiempo necesario para detectar algo que ingresa a la cavidad, pero en este sensor la detección es más rápida cuando hay más ruido. Eso es realmente notable ".

Sensibilidad óptima para ruido cuántico

Por último, el ruido cuántico nunca se puede evitar por completo, por lo que es útil darse cuenta de los sensores que abarcan en lugar de evitar el ruido. Rodríguez descubrió que la sensibilidad de este sensor que abarca el ruido también depende del ruido. "Al igual que la velocidad de detección, la sensibilidad aumenta con el ruido, pero no continuamente. Resulta que este sensor puede funcionar de manera óptima en el régimen de ruido cuántico, ", dice." Esto lo convierte en una alternativa interesante en regímenes donde los sensores convencionales no pueden funcionar muy bien ".

Rodríguez calculó el límite de velocidad de detección teórico del esquema de detección no lineal propuesto y lo comparó con el límite de velocidad de detección teórico de un sensor lineal. Dado que el esquema no lineal funciona casi tan bien como un método lineal, tiene grandes expectativas. Planea investigar teóricamente el sistema más a fondo y eventualmente desarrollar un sensor físico que acepte el ruido. "Ya se utilizan métodos similares para los sistemas eléctricos, pero hasta la fecha el ruido nunca se ha utilizado como recurso en la detección óptica, ", dice." Al mostrar cómo el ruido cuántico inevitable puede ser adoptado para la detección, estos resultados pueden empujar los límites de lo que es detectable por sensores ópticos de última generación ".