El papel constructivo del ruido
Investigación internacional con participación de la UC3M
4/10/18
El ruido puede inducir orden espacial y temporal en sistemas no lineales, lo que ayuda a detectar y amplificar señales externas débiles difícilmente detectables por los amplificadores convencionales, según un equipo internacional compuesto por investigadores de de Alemania, China y España en el que participa la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M). El trabajo, publicado en dos artículos de la revista Physical Review Letters, explica que este efecto se puede usar en la decodificación y en la creación de señales extremadamente débiles, sin necesidad de una señal de referencia y en un tiempo mucho menor del que necesita un amplificador convencional.
Hasta ahora, todos los métodos para detectar señales muy débiles (con frecuencias altas) se basaban en la sincronización de esa señal débil con una señal de referencia, por lo que una señal de frecuencia desconocida (como, por ejemplo, un mensaje cifrado o un fragmento de información apenas audible) podía pasar desapercibida si estaba “escondida” en un ruido fuerte de fondo. Los científicos han encontrado un sistema electrónico en estado estacionario que produce oscilaciones coherentes y estables de la corriente al aplicarle un ruido, lo que se llama “resonancia coherente”. La frecuencia de estas oscilaciones varía continuamente en un amplio rango de cero a cien megahercios. Si además se le superpone una señal débil de frecuencia en ese rango, el sistema se sincroniza con la señal débil, lo que se llama resonancia estocástica. Esto se puede usar para detectar, procesar e interpretar la señal débil, en un espacio de tiempo menor y sin necesidad de una señal de referencia como en los métodos convencionales.
Estos hallazgos podrían utilizarse para identificar señales que estén escondidas en una gran cantidad de ruido o, recíprocamente, para cifrar señales envolviéndolas en un ruido de fondo y recuperándolas más tarde. Por ejemplo, se podría extraer la información de una conversación que hubiera sido grabada en una habitación ruidosa, podrían analizarse de forma más eficiente observaciones astronómicas enmascaradas por un gran ruido de fondo, e incluso sería posible procesar señales de imágenes.
"El ruido es habitualmente una molestia que queremos evitar y minimizar en aplicaciones prácticas. Sin embargo, hay veces en las que el ruido juega un papel constructivo que se puede explotar para producir resultados útiles", expone Luis L. Bonilla, investigador del departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química y del Instituto Gregorio Millán Barbany de la UC3M.
Para demostrar la existencia de estas resonancias producidas por el ruido y aprovechables para la decodificación de señales débiles, el equipo de investigación experimentó con una superred de semiconductores que alterna periódicamente capas de arseniuro de galio con otras de una aleación de arseniuro de galio con un 45 por ciento de aluminio. Las simulaciones numéricas basadas en modelos de transporte de electrones se realizaron en el Instituto Gregorio Millán y el departamento de Materiales de la UC3M, y los experimentos de laboratorio tuvieron lugar en el Instituto SINANO de Suzhou y en la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa (China) con muestras creadas en el Instituto Paul Drude de Berlín (Alemania).
Referencias bibliográficas:
- Emanuel Mompo, Miguel Ruiz-Garcia, Manuel Carretero, Holger T. Grahn, Yaohui Zhang, Luis L. Bonilla, Coherence resonance and stochastic resonance in an excitable semiconductor superlattice (Resonancia coherente y resonancia estocástica en una superred semiconductora excitable). Physical Review Letters. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.086805
- Zhengzheng Shao, Zhizhen Yin, Helun Song, Wei Liu, Xiujian Li, Jubo Zhu, Klaus Biermann, Luis L. Bonilla, Holger T. Grahn, Yaohui Zhang, Fast Detection of a Weak Signal by a Stochastic Resonance Induced by a Coherence Resonance in an Excitable GaAs / Al 0.45 Ga 0.55 As Superlattice (Detección rápida de una señal débil por una resonancia estocástica inducida por una resonancia coherente en una superred excitable de GaAs / Al 0.45 Ga 0.55 As). Physical Review Letters. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.086806
