Un micrófono cuántico optoacústico logra una ventaja cuántica audible

Por Francisco R. Villatoro, el 2 julio, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 3

La mayoría de los micrófonos son sensores electroacústicos que transforman el sonido (ondas de presión) en señales eléctricas. También hay micrófonos optoacústicos, en los que el sonido incide sobre un espejo generando una señal óptica. Se publica en la revista de física PRX Quantum un sensor cuántico optoacústico sensible a frecuencias entre 1 Hz y 100 kHz; el ruido de disparo (shot noise) de este interferómetro láser es inferior en su versión cuántica que en su versión clásica, aunque la cuántica es mejorable pues está por encima del límite de Heisenberg. Ahora bien, ¿la diferencia entre ambos es audible para una persona? 45 personas han sido expuestas a una grabación de voz humana con ambos micrófonos; al reducir el volumen resulta que la grabación cuántica es reconocible a niveles más bajos que la clásica; el límite de reconocimiento del habla alcanzado es −0.57 dB SPL más bajo (dB SPL son decibelios en la medida del nivel de presión acústica). Los autores del artículo afirman que se ha demostrado la ventaja cuántica de su micrófono y que dicha ventaja cuántica es audible.

Obviamente, que nadie piense que se van a sustituir todos los micrófonos de alta fidelidad de los estudios de grabación por micrófonos cuánticos óptoacústicos. El nuevo artículo me parece algo curioso pero inútil (CPI). Todo esto me recuerda a los reproductores láser de vinilos, que se patentaron en 1977 y se comercializaron en 1997; prometían una reproducción de mayor fidelidad, solo para audiófilos, sin ningún desgaste del disco. Su altísimo precio ha llevado a que su producción haya sido a cuentagotas. En mi modesta opinión, lo mismo pasará con los nuevos micrófonos cuánticos optoacústicos, cuyo coste se prevé prohibitivo (aunque ahora mismo solo hay prototipos de laboratorio). Creo que su nicho tecnológico se limitará al campo de la metrología cuántica en biología. Usando ultrasonidos se pueden obtener imágenes de células vivas evitando el efecto de la luz sobre ciertas enzimas. En este tipo de aplicaciones se requiere usar fotones entrelazados a frecuencias de ultrasonidos hasta unos 100 kHz. Y eso es lo que se ha logrado en este nuevo trabajo (la ventaja cuántica audible es solo una excusa para lograr un mayor impacto mediático).

Este curioso artículo es Raphael Nold, …, Florian Kaiser, and Jörg Wrachtrup, «Quantum Optical Microphone in the Audio Band,» PRX Quantum 3: 020358 (17 June 2022), doi: https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.020358; arXiv:2204.12429 [quant-ph] (26 Apr 2022); más información divulgativa en Michael Schirber, «Hearing the Quantum Difference,» APS Physics, 17 Jun 2022; Alex Wilkins, «Quantum microphone beats a regular one,» New Scientist 3392: 15 (25 Jun 2022) [web].

El esquema experimental de este interferómetro óptico para señales acústicas es sencillo. Se usa un láser a 532-nm que incide sobre un cristal no lineal (NLC) para producir un par de fotones entrelazados (LCMF, 10 ene 2013), con frecuencias 1109 nm (fotón de señal s, por signal) y 1023 nm (fotón acompañante i, por idler); este par de fotones se puede producir cuando el haz atraviesa el cristal en una dirección (llamada forward, por hacia adelante) y en la dirección opuesta (llamada backward, por hacia atrás). El haz láser se hace pasar por un espejo dicroico (DM) que separa el haz láser (línea verde), que se envía a un espejo de espejo de referencia (RM), y el pares de fotones entrelazados (líneas de color naranja y rojo en la figura), que se envían a un espejo acoplado a la membrana del micrófono (SM), al que se llega tras atravesar una placa de ondas (WSWP) que rota la polarización del fotón s en 90 grados, sin alterar la polarización del fotón i. El resultado es que la señal acústica queda reflejada en la fase cuántica del fotón s, sin alterar el fotón i. Usando un filtro (F), una placa de media onda (HWP) y un divisor del haz en polarización (PBS) se dirigen los caminos ópticos a dos detectores, en cuya diferencia de fase se encuentra codificada la señal acústica.

La membrana acústica es una placa de vidrio de 70 μm de grosor a la que se ha pegado un pequeño espejo dieléctrico de 2 × 2 × 0.5 mm³. Esta membrana se excita con un altavoz  convencional situado a 3.5 cm tras la membrana. El espectro medido con la respuesta a  tonos de una única frecuencia muestra una respuesta casi plana hasta unos 15 kHz; la respuesta obtenida es bastante lineal en toda la banda. Hay que aclarar a los aficionados a la acústica que no se ha diseñado este micrófono cuántico para que emule a los micrófonos de alta fidelidad convencionales, cuyo espectro es mucho más plano.

Por tanto, no sería justa una comparación del nuevo sensor optoacústico con un micrófono profesional convencional. Por ello se ha comparado con una versión clásica del mismo esquema experimental, es decir, con un interferómetro óptico que no usa el cristal NLC que entrelaza el par de fotones. La ventaja cuántica corresponde a una reducción en un factor de 2.5 en la relación-señal-ruido (SNR), como muestra esta figura; más aún, dicha reducción es más o menos constante en todo el rango de frecuencias estudiado, de 1 Hz hasta 10 kHz (figura que no incluyo aquí). Como el rango estudiado incluye el espectro audible por un humano (entre 20 Hz y 20 kHz en el caso ideal) el nuevo sensor se puede usar como un micrófono.

Más como una curiosidad que por otra cosa (una curiosidad que lleva a que este blog se haga eco del artículo) se ha decidido cuantificar la ventaja cuántica usando la percepción auditiva de 45 personas. Este tipo de test CPI está obviamente muy sesgado. En cualquier caso, se han usado grabaciones de la voz humana (pues cualquier grabación musical exige un oído entrenado), tanto a bajo volumen como en un ambiente ruidoso. Se ha observado que con el micrófono cuántico se puede alcanzar una presión acústica audible (un volumen) de la señal tanto con ruido como sin ruido inferior al alcanzado con el micrófono clásico. Como muestra esta figura la diferencia no es muy grande y sigue una distribución de Poisson picada en −0.57 dB SPL.

Como es obvio, nadie puede pretender que este tipo de micrófonos se usen alguna en la grabación de audio en estudios profesionales. Su utilidad es metrológica, la imagen biológica de células vivas usando señales acústicas (ultrasonidos) en lugar de señales ópticas (que suelen afectar a ciertas enzimas). El uso de metrología cuántica incrementa la sensibilidad de este tipo de instrumentos. En dicho campo, lo más novedoso del nuevo trabajo es que se ha logrado una alta tasa de muestreo, al alcanzarse frecuencias de hasta 100 kHz. Quizás algún día haya microscopios cuánticos optoacústicos en todos los laboratorios de biología. Quizás.



3 Comentarios

  1. Hola Francis, quería ponerme al día con el tema de la decoherencia y había pensado en «Decoherence and the quantum to classical transition» (Springer) de M. Schlosshauer ¿lo conoces?, ¿alguna recomendación?

  2. Para los que os guste la cuántica vista desde el punto de vista de la información no os perdais «Bananaworld. Quantum Mechanics for Primates» (Oxford) de Jeffrey Bub. Bebe muchííisimo del pequeño gran libro de Nicolas Gisin «Quantum Chance. Nonlocality, Teleportation and Other Quantum Marvels.» Hay que andarse con ojo porque el libro es algo desarreglado y muchas veces no aclara lo que existe o no en la naturaleza, además de que está la visión personal del autor, pero por lo demás está muy chulo (Sé que Bub ha sacado otro, más para legos, y con muy buena crítica: «Totally Random: Why Nobody Understands Quantum Mechanics (A Serious Comic on Entanglement)» (Princeton), pero no lo he leido aun.

    Otro punto de vista muy chulo, más de la linea de Pitowsky (entender el espacio de Hilbert como una extensión de la teoría de la probabilidad) «Understanding Quantum Raffles» (Springer) de tres autores.

  3. Pues ya me he leído «Totally Random: Why Nobody Understands Quantum Mechanics (A Serious Comic on Entanglement)» (Princeton) y es un cómic bastante gracioso e ingenioso donde con monedas le da un repaso al entrelazamiento. Problema: el ejemplo que usa es una supercorrelacion que no se da tal cual en la naturaleza y no lo aclaran. El formato oscuro y enrevesado no ayuda con un tema que requiere mucha atención del lector y parece más escrito para diversión del que sabe que del que no.

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