La nueva paradoja cuántica: añadir ruido hace que los relojes sean más precisos

Si alguna vez has intentado concentrarte en una tarea mientras hay ruido de fondo —el zumbido de una conversación cercana, el pitido de un microondas, el tráfico de la calle—, sabrás que el desorden y la precisión rara vez van de la mano. El ruido distrae, interfiere, rompe el ritmo. También lo pensaban los físicos… hasta ahora. En la medida del tiempo parece tener una función principal.

En un artículo reciente del Laboratorio Nacional de Los Álamos, el investigador Luis Pedro García-Pintos plantea un resultado inesperado: en determinadas condiciones, introducir ruido en un sistema cuántico puede mejorar su capacidad para medir el tiempo o detectar campos globales. Es un descubrimiento que desafía las bases de la metrología cuántica, esa disciplina que busca aprovechar los extraños efectos de la física cuántica para realizar mediciones con una precisión extrema. Y lo hace con una propuesta tan simple como revolucionaria: no corregir el ruido, sino usarlo a nuestro favor.

Cuando el ruido no estorba, sino ayuda

La metrología cuántica ha avanzado enormemente gracias a tecnologías que permiten manipular sistemas extremadamente delicados, como cúbits entrelazados o haces de luz. Hasta ahora, se asumía que el ruido y la decoherencia —es decir, la pérdida de las propiedades cuánticas debido a interacciones con el entorno— eran enemigos naturales de la precisión. De hecho, “la mayoría de los esfuerzos se han centrado en evitar o corregir los efectos del ruido”, explica el autor .

Sin embargo, el estudio demuestra que bajo ciertas condiciones específicas, este tipo de ruido puede aportar información adicional útil. En términos técnicos, la decoherencia introduce una contribución positiva a la llamada “información de Fisher cuántica”, que es una medida matemática de cuánta información sobre un parámetro (como el tiempo o una frecuencia) puede extraerse de un sistema. Más información de Fisher implica, en principio, menor error en la medición.

Una cuestión de tiempo… y diseño

García-Pintos propone un modelo en el que el sistema cuántico comienza su evolución de forma ideal —sin interacción con el entorno— y, a partir de un cierto momento, se le permite interactuar con un entorno que introduce ruido de manera controlada. En lugar de una interferencia caótica, se trata de un “ruido diseñado” con una dinámica concreta, que puede amplificar la precisión de la medición temporal si se dosifica adecuadamente.

El resultado es sorprendente: “el ruido mejora la sensibilidad del sensor más allá de la que tendría un sensor completamente aislado”, afirma el autor . La clave está en permitir que la decoherencia actúe durante un tiempo corto y bien calculado. Si se deja actuar demasiado, el sistema pierde coherencia cuántica y con ello toda su ventaja; pero si se aplica justo en la medida precisa, el sistema puede llegar a ser más eficaz que uno sin ruido.

Este efecto se verifica, por ejemplo, cuando se aumenta progresivamente la intensidad del ruido (una rampa lineal de decoherencia) en una red de cúbits en estado entrelazado. El aumento en precisión puede llegar a ser de hasta tres órdenes de magnitud, siempre que el sistema y el entorno estén diseñados en sintonía .

Qué tiene que ver todo esto con un reloj

En física cuántica, un reloj no es un mecanismo con manecillas, sino un sistema cuya evolución temporal puede medirse con una precisión altísima. En este caso, los relojes cuánticos se basan en estados cuánticos como los estados tipo “gato de Schrödinger” o los NOON states, donde dos configuraciones extremas coexisten.

Lo curioso del experimento teórico es que si se permite que el sistema pierda parte de esa superposición de forma controlada, su capacidad para medir el tiempo puede mejorar. Esto se refleja en que la información de Fisher cuántica no solo no se reduce, sino que puede aumentar bajo ciertas condiciones. Como se indica en el paper, “el sensor mejora a medida que aumenta el valor de ˙γ(δL)²/(δE)²” , donde γ representa la tasa de decoherencia, δL es la diferencia entre los valores propios del operador que induce la decoherencia, y δE es la diferencia de energía entre los estados.

Este tipo de medición más precisa es útil en aplicaciones donde se necesita saber con exactitud cuándo ocurre algo, como en navegación cuántica, relojería de precisión o comunicaciones por satélite. También puede abrir la puerta a nuevas estrategias en la exploración del tiempo como magnitud física.

Medir campos con ayuda del desorden

Pero no solo se trata del tiempo. El estudio también analiza cómo este enfoque se puede usar para estimar parámetros globales, como la intensidad de un campo magnético. En estos casos, el sistema también se comporta mejor cuando se le somete a decoherencia controlada, especialmente cuando el parámetro a medir es muy pequeño.

Esto es especialmente interesante porque los campos débiles suelen ser difíciles de detectar, y cualquier ayuda en la sensibilidad del sistema representa una ventaja. De hecho, “el sensor puede ser más preciso que su equivalente ideal incluso si la decoherencia está presente durante todo el proceso de medición” . Esto va en contra de la intuición más básica de la física cuántica, donde se supone que cuanto más aislado esté un sistema, mejor funciona.

En estos casos, el modelo predice que hay un punto óptimo donde la precisión en la estimación de la frecuencia o del campo se maximiza. Este resultado se visualiza en la figura incluida en el artículo, que muestra regiones completas donde la precisión con ruido supera a la del sistema sin él.

Sin necesidad de corrección de errores

Uno de los puntos más llamativos del artículo es que no hace falta recurrir a técnicas complejas de corrección de errores cuánticos para lograr estas mejoras. A diferencia de otros trabajos en metrología cuántica, este resultado se obtiene simplemente aprovechando la evolución natural del sistema en presencia de un entorno bien caracterizado.

“Las ventajas metrológicas inducidas por el ruido que introduzco en esta carta […] se manifiestan en protocolos simples que no requieren corrección de errores”, afirma el autor. Esto tiene implicaciones prácticas importantes, ya que la corrección cuántica suele ser costosa y difícil de implementar en la práctica.

En resumen, el hallazgo sugiere que en ciertos casos el ruido no solo no debe evitarse, sino que puede ser diseñado para mejorar las prestaciones de los sensores cuánticos. Esto abre un nuevo campo en la ingeniería de sistemas cuánticos donde el desorden no se corrige, sino que se programa.

¿Un nuevo paradigma cuántico?

Este estudio no solo aporta un avance teórico interesante, sino que plantea una nueva forma de pensar la precisión en física cuántica. Lejos de ver el entorno como una amenaza constante, se propone un cambio de perspectiva: tratar al entorno como parte activa del diseño del sensor.

Además, este enfoque se alinea con otras propuestas recientes que buscan aprovechar los efectos de sistemas abiertos en lugar de combatirlos. Algunos ejemplos incluyen simulaciones cuánticas con ruido controlado o el uso de estados cuánticos no hermíticos, que también se benefician de la interacción con el entorno.

A futuro, queda por explorar si este principio puede aplicarse a más tipos de parámetros, o si otras formas de ruido —no necesariamente conmutativas— también pueden servir como recursos metrológicos. Como señala el propio autor: “sería interesante explorar si el ruido no conmutativo puede, en algunos casos, servir también como recurso metrológico” .

Cortesía de Muy Interesante

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