La práctica de mantener el tiempo depende de oscilaciones estables. En un reloj de pie, la duración de un segundo está marcada por un único movimiento del péndulo. En un reloj digital, las vibraciones de un cristal de cuarzo marcan fracciones de tiempo mucho más pequeñas. Y en los relojes atómicos, los cronometradores más modernos del mundo, las oscilaciones de un rayo láser estimulan a los átomos a vibrar a 9.200 millones de veces por segundo. Estas divisiones de tiempo más pequeñas y estables marcan el ritmo de las comunicaciones por satélite, los sistemas GPS y los mercados financieros actuales.
La estabilidad de un reloj depende del ruido de su entorno. Un ligero viento puede desincronizar la oscilación de un péndulo. Y el calor puede alterar las oscilaciones de los átomos en un reloj atómico. La eliminación de tales efectos ambientales puede mejorar la precisión de un reloj. Pero sólo hasta cierto punto.
Un nuevo estudio del MIT encuentra que incluso si se eliminara todo el ruido del mundo exterior, la estabilidad de los relojes, los rayos láser y otros osciladores seguiría siendo vulnerable a los efectos de la mecánica cuántica. La precisión de los osciladores quedaría finalmente limitada por el ruido cuántico.
Pero en teoría, hay una manera de superar este límite cuántico. En su estudio, los investigadores también muestran que manipulando o "exprimiendo" los estados que contribuyen al ruido cuántico, se podría mejorar la estabilidad de un oscilador, incluso más allá de su límite cuántico.
"Lo que hemos demostrado es que, en realidad, hay un límite en la estabilidad de osciladores como los láseres y los relojes, que está determinado no sólo por su entorno, sino por el hecho de que la mecánica cuántica los obliga a moverse un poco", dice Vivishek. Sudhir, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT. "Luego hemos demostrado que hay formas de evitar esta sacudida mecánica cuántica. Pero hay que ser más inteligente que simplemente aislar el objeto de su entorno. Hay que jugar con los propios estados cuánticos". P>
El equipo está trabajando en una prueba experimental de su teoría. Si pueden demostrar que pueden manipular los estados cuánticos en un sistema oscilante, los investigadores imaginan que los relojes, láseres y otros osciladores podrían sintonizarse con una precisión supercuántica. Estos sistemas podrían luego usarse para rastrear diferencias infinitamente pequeñas en el tiempo, como las fluctuaciones de un solo qubit en una computadora cuántica o la presencia de una partícula de materia oscura revoloteando entre detectores.
"Planeamos demostrar varios ejemplos de láseres con capacidad de cronometraje mejorada cuánticamente durante los próximos años", dice Hudson Loughlin, estudiante de posgrado en el Departamento de Física del MIT. "Esperamos que nuestros recientes desarrollos teóricos y próximos experimentos mejoren nuestra capacidad fundamental para medir el tiempo con precisión y permitan nuevas tecnologías revolucionarias".
Loughlin y Sudhir detallan su trabajo en un artículo de acceso abierto publicado en la revista Nature Communications. .
Al estudiar la estabilidad de los osciladores, los investigadores observaron primero el láser, un oscilador óptico que produce un haz ondulatorio de fotones altamente sincronizados. La invención del láser se atribuye en gran medida a los físicos Arthur Schawlow y Charles Townes, quienes acuñaron el nombre a partir de su acrónimo descriptivo:amplificación de luz mediante emisión estimulada de radiación.
El diseño de un láser se centra en un "medio láser", una colección de átomos, generalmente incrustados en vidrio o cristales. En los primeros láseres, un tubo de destello que rodeaba el medio láser estimularía a los electrones de los átomos para que aumentaran su energía. Cuando los electrones se relajan y pierden energía, emiten algo de radiación en forma de fotón.
Dos espejos, en cada extremo del medio láser, reflejan el fotón emitido de regreso a los átomos para estimular más electrones y producir más fotones. Un espejo, junto con el medio láser, actúa como un "amplificador" para impulsar la producción de fotones, mientras que el segundo espejo es parcialmente transmisivo y actúa como un "acoplador" para extraer algunos fotones como un haz concentrado de luz láser. /P>
Desde la invención del láser, Schawlow y Townes plantearon la hipótesis de que la estabilidad de un láser debería estar limitada por el ruido cuántico. Desde entonces, otros han probado su hipótesis modelando las características microscópicas de un láser. A través de cálculos muy específicos, demostraron que, de hecho, interacciones cuánticas imperceptibles entre los fotones y átomos del láser podrían limitar la estabilidad de sus oscilaciones.
"Pero este trabajo requirió cálculos extremadamente detallados y delicados, de modo que se entendiera el límite, pero sólo para un tipo específico de láser", señala Sudhir. "Queríamos simplificar enormemente esto, comprender los láseres y una amplia gama de osciladores."
En lugar de centrarse en las complejidades físicas de un láser, el equipo buscó simplificar el problema.
"Cuando un ingeniero eléctrico piensa en fabricar un oscilador, toma un amplificador y alimenta la salida del amplificador a su propia entrada", explica Sudhir. "Es como una serpiente que se muerde la cola. Es una forma de pensar extremadamente liberadora. No es necesario conocer los detalles de un láser. En cambio, se tiene una imagen abstracta, no sólo de un láser, sino de todos los osciladores. ."
En su estudio, el equipo elaboró una representación simplificada de un oscilador similar a un láser. Su modelo consta de 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).
Luego, el equipo escribió las ecuaciones físicas que describen el comportamiento del sistema y llevó a cabo cálculos para ver en qué parte del sistema surgiría el ruido cuántico.
"Al abstraer este problema a un oscilador simple, podemos identificar dónde entran las fluctuaciones cuánticas en el sistema, y entran en dos lugares:el amplificador y el acoplador que nos permite obtener una señal del oscilador", dice Loughlin. "Si sabemos esas dos cosas, sabremos cuál es el límite cuántico de la estabilidad de ese oscilador".
Sudhir dice que los científicos pueden usar las ecuaciones que presentan en su estudio para calcular el límite cuántico en sus propios osciladores.
Es más, el equipo demostró que este límite cuántico podría superarse si se pudiera "comprimir" el ruido cuántico en una de las dos fuentes. La compresión cuántica es la idea de minimizar las fluctuaciones cuánticas en un aspecto de un sistema a expensas de aumentar proporcionalmente las fluctuaciones en otro aspecto. El efecto es similar a exprimir aire de una parte de un globo hacia otra.
En el caso de un láser, el equipo descubrió que si se redujeran las fluctuaciones cuánticas en el acoplador, se podría mejorar la precisión, o la sincronización de las oscilaciones, en el rayo láser saliente, incluso si el ruido en la potencia del láser aumentaría como resultado. .
"Cuando se encuentra algún límite de la mecánica cuántica, siempre surge la pregunta de ¿qué tan maleable es ese límite?" dice Sudhir. "¿Es realmente una parada difícil o aún queda algo de jugo que se puede extraer manipulando algo de mecánica cuántica? En este caso, descubrimos que sí lo hay, lo cual es un resultado aplicable a una enorme clase de osciladores". P>
Más información: Hudson A. Loughlin et al, Ruido cuántico y su evasión en osciladores de retroalimentación, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42739-9
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
