Em métodos convencionais de detecção, barulho é sempre um problema, especialmente em sistemas destinados a detectar mudanças em seu ambiente que são dificilmente maiores ou até menores do que o ruído no sistema. Encontrando este problema em seus experimentos com fótons interagindo, O físico do AMOLF, Said Rodriguez, pensou em uma maneira de contornar isso. Em um artigo que será publicado em Revisão Física Aplicada , ele demonstra como o ruído pode ser transformado em um recurso para sensoriamento óptico ao invés de um problema.

"Usar o ruído para melhorar os métodos de detecção é contra-intuitivo, "diz Said Rodriguez." Imagine tentar ver as letras maiores em um teste de visão e falhar. Então, imagine como um terremoto repentino ajuda você a ver até mesmo as menores letras do teste. Agitar as moléculas de ar entre a tela e os olhos o ajuda a ler as letras minúsculas. Isso é semelhante ao que acontece no sensor óptico que proponho. "

Pequenas mudanças no ambiente

Como muitos pesquisadores da área de óptica, Rodriguez trabalha com sistemas ressonantes que podem detectar pequenas mudanças em seu ambiente. Um sensor óptico típico é baseado em uma cavidade, um espaço vazio com luz laser ressoando entre dois espelhos. A frequência de ressonância depende do que acontece dentro e ao redor da cavidade. "Por exemplo, um gás fluindo através da cavidade muda a frequência de ressonância, mas o mesmo acontece com a mudança de temperatura ou pressão, "Rodriguez explica." Um detector típico mede essa mudança na frequência de ressonância como uma mudança na intensidade da luz que sai da cavidade. Contudo, flutuações de intensidade, ou seja, barulho, sempre perturbe a medição. A maneira mais comum de reduzir o efeito deletério do ruído é fazer a média do sinal por um longo período de tempo. Isso limita a velocidade de detecção, enquanto na grande maioria das aplicações há grande valor em detectar o mais rápido possível. Além disso, a velocidade de detecção é sempre limitada pelo ruído; mesmo se todo o ruído clássico (por exemplo, térmico) for suprimido, o ruído quântico permanece. "

Abraçando o ruído para uma detecção mais rápida

Enquanto a maioria dos sensores ópticos são lineares - a luz que sai é uma função linear do que entrou - Rodriguez propõe um esquema de detecção óptica baseado na não linearidade, o que significa que os fótons podem interagir efetivamente uns com os outros dentro do sensor. "Dentro da cavidade óptica, adicionamos um material que influencia a luz ressonante de uma forma não linear. A luz que sai não é uma função linear do que entrou, mas é biestável:para uma determinada entrada, a saída tem dois valores possíveis, "diz ele." Devido ao ruído inerente ao sistema, a saída do sensor muda aleatoriamente entre esses dois valores. Quando a frequência de ressonância da cavidade muda (por exemplo, porque uma partícula entra na cavidade), esse padrão de inversão também muda. "

A análise das estatísticas do padrão de inversão revela a mudança na frequência de ressonância. Uma vez que o ruído aumenta a taxa de inversão entre os dois valores, e uma maior taxa de inversão significa menos tempo é necessário para adquirir estatísticas suficientes, isso significa que o ruído torna o sensor mais rápido. Rodriguez:"Em sensores convencionais, o aumento do ruído aumenta o tempo necessário para detectar algo entrando na cavidade, mas neste sensor a detecção é mais rápida quando há mais ruído. Isso é realmente notável. "

Sensibilidade ideal para ruído quântico

Em última análise, ruído quântico nunca pode ser totalmente evitado, portanto, perceber sensores que envolvem em vez de evitar o ruído é útil. Rodriguez descobriu que a sensibilidade desse sensor que envolve o ruído também depende do ruído. "Assim como a velocidade de detecção, a sensibilidade aumenta com o ruído, mas não continuamente. Acontece que este sensor pode ter um desempenho ideal no regime de ruído quântico, "ele diz." Isso o torna uma alternativa interessante em regimes onde os sensores convencionais não funcionam muito bem. "

Rodriguez calculou o limite de velocidade de detecção teórica do esquema de sensoriamento não linear proposto e comparou-o com o limite de velocidade de detecção teórico de um sensor linear. Como o esquema não linear tem um desempenho quase tão bom quanto um método linear, ele tem grandes expectativas. Ele planeja investigar teoricamente o sistema mais a fundo e, eventualmente, desenvolver um sensor físico que abranja o ruído. "Métodos semelhantes já estão em uso para sistemas elétricos, mas até agora o ruído nunca foi usado como um recurso em sensoriamento óptico, "ele diz." Ao mostrar como o inevitável ruído quântico pode ser adotado para a detecção, esses resultados podem empurrar os limites do que é detectável por sensores ópticos de última geração. "