descomposición de señales

Un intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. Algo así les ocurría a los detectores de ondas gravitacionales al analizar señales largas: cada giro de la Tierra añadía ruido a los cálculos, y el procesamiento de una fusión de estrellas de neutrones que dura un día amenazaba con extenderse durante semanas.

Un intérprete en una negociación no escucha cada palabra: capta el sentido de frases enteras. En microscopía electrónica ocurre algo parecido: hay que saber qué grosor tiene el cristal y con qué inclinación está en el haz, y solo se cuenta con el patrón de difracción, un dibujo de miles de puntos claros y oscuros.

Las olas en la superficie del agua normalmente se rompen contra cualquier obstáculo: una piedra, un pilote, una isla. ¿Pero qué pasaría si colocas los obstáculos de manera tan astuta que la ola casi no los note? En un nuevo trabajo, los científicos dispusieron sobre el agua un patrón de muchos puntos, colocados según reglas matemáticas especiales, y enviaron olas a través de ellos.

Las computadoras cuánticas cometen errores. Cada qubit es como una canica en la punta de un lápiz: si la mano tiembla un poco, se cae. Para que las canicas no caigan, se necesita alguien que note el temblor y corrija a tiempo.

El análisis de datos en internet o sistemas de sensores se pareció durante mucho tiempo a intentar dirigir una orquesta donde cada músico está encerrado en su cabina y el director no puede abandonar el podio.

Ensamblar un chip óptico es como un juego en el que hay que guiar un rayo a través de un laberinto de diminutos espejos y divisores de haz. Cada uno de estos elementos funciona como una aguja en una vía de tren: o deja pasar la luz de frente o la desvía a la vía contigua. El objetivo es obtener a la salida un patrón de luz estrictamente definido, gastando la menor cantidad posible de “agujas”.

Una proteína en la célula no es una escultura congelada. Se mueve constantemente: se dobla, respira, tiembla. Este movimiento, llamado dinámica, determina cómo funciona la proteína. Pero observar directamente esa danza es difícil, y la simulación por computadora a menudo requiere enormes recursos computacionales.

Si aplaudes en una habitación vacía, el eco revelará su tamaño y forma. Cada objeto —una silla, un libro, una persona— añade su propia firma a ese eco: el sonido se refleja en él de una manera particular. Los autores del artículo han ideado cómo reescribir por completo esa firma sonora. Rodearon una región del espacio con una superficie cerrada de micrófonos y altavoces.

Un concierto de rock atruena a todo volumen y tú intentas captar un susurro de tu amigo. Así se sienten aproximadamente los detectores de radio que captan señales de partículas cósmicas. Una partícula irrumpe en la atmósfera y genera una extensa lluvia: una cascada de millones de partículas secundarias, y esa lluvia emite un breve pulso de radio.

Un espectro es como una fotografía del interior de una sustancia, tomada con luz. Cuando un haz atraviesa la muestra o se refleja en ella, las moléculas dejan en esa foto unas bandas oscuras características: los picos. Pero si la imagen está sobreexpuesta o cubierta por un velo gris, distinguir los detalles resulta casi imposible.

En 1948, el ingeniero Claude Shannon sentó las bases de la teoría de la información. El teorema de Nyquist-Shannon dio la primera respuesta: para no perder la señal, debe haber el doble de mediciones que el detalle más rápido de la misma. En 2006, el método de muestreo comprimido (compressed sensing) relajó este requisito.

Sabemos de las estrellas de neutrones gracias a los trabajos de Fritz Zwicky, Subrahmanyan Chandrasekhar y Jocelyn Bell Burnell. Son antiguos núcleos comprimidos hasta el tamaño de una ciudad: una cucharadita de su materia pesa como el Everest.

Cuando una persona respira, el aire no fluye de manera uniforme, sino en ondas. Antes, médicos y científicos solo observaban cifras generales: cuánto aire entraba en cada inhalación, cuál era el flujo máximo. Pero dentro de una sola inhalación hay matices: pequeños cambios que revelan el trabajo de nervios y músculos.

Un puñado de monedas cae sobre la mesa. Mientras giran, cada una puede caer cara o cruz: eso es la incertidumbre cuántica. Pero en cuanto caen, la imagen se vuelve definida, clásica. Así, aproximadamente, el ruido destruye el orden cuántico y lo convierte en desorden ordinario.

Bajo tierra se esconde mucho: agua, mineral, arena, arcilla. Para saber qué hay ahí, no hace falta cavar. Basta con hacer pasar una corriente alterna débil por el suelo y escuchar cómo "responde" la roca a diferentes frecuencias. Esta técnica se llama polarización inducida espectral.

La luz que atraviesa las ondulaciones de la superficie del agua dibuja patrones danzantes en el fondo de una piscina. Los ingenieros han utilizado una idea similar para hacer que la luz calcule. Han fabricado una diminuta placa con un relieve ondulado: cada saliente y cada depresión desvían los rayos de manera distinta.

Una radiografía de una batería se parece a una foto tomada a través de un vidrio esmerilado: los detalles finos se funden en una mancha gris. La causa es la limitación del propio detector, que no distingue detalles más pequeños que su píxel. Los ingenieros propusieron sortear esta barrera iluminando la muestra no con un haz uniforme, sino con un patrón de franjas.

Un rayo láser incide sobre la piel y los tejidos responden con un eco ultrasónico apenas audible. Gracias a ese eco, los médicos pueden ver vasos sanguíneos y tumores sin hacer incisiones. Pero antes de que la imagen aparezca en la pantalla, hay que limpiar la señal del ruido, como un cocinero que retira la espuma del caldo para que quede transparente.

El láser incide en el tejido y este responde con un chasquido apenas audible: una onda sonora. La captan unos sensores y con ellos se construye una imagen de lo que hay dentro. Así funciona la imagen fotoacústica: la luz penetra en profundidad y el sonido saca la imagen al exterior. En el nuevo esquema no hay sensores.