Los ingenieros cuánticos de la UNSW han desarrollado un nuevo amplificador que podría ayudar a otros científicos a buscar partículas esquivas de materia oscura.
Imagínese lanzar una pelota. Se esperaría que la ciencia fuera capaz de determinar su velocidad y ubicación exactas en un momento dado, ¿verdad? Bueno, la teoría de la mecánica cuántica dice que en realidad no se pueden conocer ambas cosas con precisión infinita al mismo tiempo.
Resulta que a medida que mides con mayor precisión dónde está la pelota, conocer su velocidad se vuelve cada vez menos preciso.
Este enigma se conoce comúnmente como principio de incertidumbre de Heisenberg, en honor al famoso físico Werner Heisenberg, quien lo describió por primera vez.
En el caso de la pelota, este efecto es imperceptible, pero en el mundo cuántico de pequeños electrones y fotones, la incertidumbre de la medición de repente se vuelve muy significativa.
Ese es el problema que está abordando un equipo de ingenieros de la UNSW Sydney que ha desarrollado un dispositivo amplificador que realiza mediciones precisas de señales de microondas muy débiles, y lo hace mediante un proceso conocido como compresión.
Exprimir implica reducir la certeza de una propiedad de una señal para obtener mediciones ultraprecisas de otra propiedad.
El equipo de investigadores de la UNSW, dirigido por el profesor asociado Jarryd Pla, ha aumentado significativamente la precisión de la medición de señales en frecuencias de microondas, como las emitidas por su teléfono móvil, hasta el punto de establecer un nuevo récord mundial.
La precisión de medir cualquier señal está fundamentalmente limitada por el ruido. El ruido es la confusión que se infiltra y enmascara las señales, algo que quizás hayas experimentado si alguna vez te has aventurado fuera del alcance al escuchar la radio AM o FM.
Sin embargo, la incertidumbre en el mundo cuántico significa que existe un límite en cuanto al nivel de ruido que se puede generar en una medición.
"Incluso en el vacío, un espacio vacío de todo, el principio de incertidumbre nos dice que todavía debemos tener ruido. A esto lo llamamos ruido de 'vacío'. Para muchos experimentos cuánticos, el ruido del vacío es el efecto dominante que nos impide realizar mediciones más precisas. ", dice el A/Prof. Pla de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Telecomunicaciones de la UNSW y coautor de un artículo publicado en Nature Communications. .
El exprimidor producido por el equipo de la UNSW puede superar este límite cuántico.
"El dispositivo amplifica el ruido en una dirección, de modo que el ruido en otra dirección se reduce o 'comprime' significativamente". Piense en el ruido como una pelota de tenis:si la estiramos verticalmente, entonces debe reducirse a lo largo de la horizontal para mantener su volumen. Luego podemos usar la parte reducida del ruido para realizar mediciones más precisas", A/Prof. Pla dice.
"Lo más importante es que demostramos que el exprimidor es capaz de reducir el ruido a niveles récord".
El dispositivo fue el resultado de un trabajo minucioso. Doctor. El candidato Arjen Vaartjes, coautor principal del artículo junto con sus colegas de la UNSW, el Dr. Anders Kringhøj y el Dr. Wyatt Vine, añade:"Comprimir es muy difícil en frecuencias de microondas porque los materiales utilizados tienden a destruir el frágil ruido comprimido con bastante facilidad". P>
"Lo que hemos hecho es mucha ingeniería para eliminar las fuentes de pérdida, lo que significa utilizar materiales superconductores de muy alta calidad para construir el amplificador".
Y el equipo cree que el nuevo dispositivo podría ayudar a acelerar la búsqueda de partículas notoriamente esquivas conocidas como axiones, que hasta ahora son sólo teóricas, pero que muchos proponen como el ingrediente secreto de la misteriosa materia oscura.
Medidas de axiones
Realizar mediciones precisas es dominio de los científicos que intentan descubrir qué constituye la materia oscura, que se cree que constituye alrededor del 27 por ciento del universo conocido, pero sigue siendo un misterio cósmico ya que los científicos no han podido identificarla.
Como sugiere su nombre, no emite ni absorbe luz, que es lo que lo hace "invisible". Pero los físicos creen que debe estar allí, ejerciendo una atracción gravitacional; de lo contrario, las galaxias se separarían.
Hay muchas teorías variadas sobre de qué podría estar hecha la materia oscura, incluida la existencia propuesta de los llamados axiones.
Los axiones en sí nunca han sido descubiertos, ya que la teoría es que son casi insondablemente pequeños, con una masa extremadamente baja como partícula individual y, por lo tanto, interactúan de manera virtual imperceptible con otra materia conocida.
Sin embargo, una idea predice que cuando se exponen a grandes campos magnéticos, los axiones deberían producir señales de microondas muy débiles. Los científicos están utilizando equipos altamente sensibles y realizando mediciones meticulosas en un intento de detectar esas diminutas señales.
Pero como señala A/Prof. Pla dice:"Al intentar detectar partículas tan fantasmales como axiones, incluso el ruido del vacío puede resultar ensordecedor".
El trabajo realizado sobre compresión en la UNSW significa que esas mediciones ahora podrían realizarse hasta seis veces más rápido, mejorando las posibilidades de descubrir un axión esquivo.
"Los detectores Axion pueden utilizar exprimidores para reducir el ruido y acelerar sus mediciones. Nuestros resultados indican que esos experimentos ahora podrían realizarse incluso más rápido que antes", afirma el profesor A. Pla.
"Los científicos pueden ver los efectos de la materia oscura en las galaxias, pero nadie los ha detectado nunca. Hasta que no se mida físicamente un axión, sólo será una teoría sobre cómo se manifiesta la materia oscura."
El autor principal conjunto, el Dr. Vine, dice que existen otras aplicaciones para el nuevo dispositivo amplificador del equipo.
"Lo que también demostramos en nuestro estudio es que el dispositivo puede funcionar a temperaturas más altas que los exprimidores anteriores y también en grandes campos magnéticos", dice el Dr. Vine.
"Esto abre la puerta a su aplicación en técnicas como la espectroscopia, que se utiliza para estudiar la estructura de nuevos materiales y sistemas biológicos como las proteínas. El ruido comprimido significa que se pueden estudiar volúmenes más pequeños o medir muestras con mayor precisión".
El Dr. Kringhøj señala que el propio ruido comprimido podría incluso utilizarse en futuros ordenadores cuánticos.
"Resulta que el ruido del vacío comprimido es un ingrediente para construir cierto tipo de computadora cuántica. Curiosamente, el nivel de compresión que hemos logrado no está muy lejos de la cantidad necesaria para construir un sistema de este tipo", afirma.
