La luz entrelazada de átomos multitarea podría provocar avances cuánticos

Conduciendo a altas horas de la noche, te encuentras con un semáforo en rojo y detienes el coche. Levantas la mano con cansancio para bloquear el brillo rojo que atraviesa el parabrisas. De repente, las luces verde y amarilla se encienden y golpean tus ojos al mismo tiempo. Confundido, retiras la mano y nuevamente solo aparece el color rojo.

Este escenario surrealista es lo que realmente sucedería si el semáforo fuera un solo átomo iluminado por un rayo láser, como lo demostraron experimentalmente recientemente investigadores en Berlín. Observaron la luz dispersada por un átomo y vieron que los fotones (las partículas más pequeñas de luz) llegaban al detector uno a la vez. Los científicos bloquearon el color más brillante que vieron y, de repente, pares de fotones de dos colores ligeramente diferentes comenzaron a llegar simultáneamente a su detector. Ellos informaron sus hallazgos en Fotónica de la naturaleza en julio.

La razón de este efecto contrario a la intuición es que los átomos individuales son pequeños y hábiles realizadores de múltiples tareas. A través de diferentes procesos subyacentes, pueden dispersar una variedad de colores al mismo tiempo como un semáforo peligroso que ilumina los tres colores a la vez. Sin embargo, debido a la interferencia cuántica entre estos procesos, un observador sólo ve uno de los colores metafóricos del semáforo a la vez, preservando la paz en la carretera.

Este experimento también allana el camino para nuevas aplicaciones de información cuántica. Cuando se bloquea el color más brillante, los fotones que aparecen simultáneamente son enredado entre sí, comportándose en sincronía incluso cuando están separados por grandes distancias. Esto proporciona una nueva herramienta para comunicación cuántica y procesamiento de información en el que los pares de fotones entrelazados pueden servir como claves distribuidas en criptografía cuántica o almacenar información en un dispositivo de memoria cuántica.

Multitarea: en teoría

Los átomos pueden ser sorprendentemente exigentes en cuanto a sus acoplamientos con la luz. Basado en las diferentes disposiciones de sus electrones constituyentes, los átomos de diferentes elementos muestran preferencias claras sobre qué colores de luz dispersan fuertemente. Demostrarlo es tan simple como apuntar un láser a un átomo, con el láser sintonizado en un color particular que coincida estrechamente con la preferencia de dispersión de ese átomo. Como era de esperar, su detector mostrará los fotones que dispersan el átomo de ese color predominante. Pero, curiosamente, los fotones dispersos entrarán en el detector uno a la vez, como si formaran una sola línea. Hasta principios de los años 1980, los físicos generalmente aceptaban una explicación ingenua para este extraño efecto: los fotones llegan como en cola porque el átomo sólo puede dispersar un fotón a la vez.

Sin embargo, en 1984, dos investigadores profundizaron en las matemáticas que rigen este fenómeno y descubrieron que la realidad es mucho más complicada y mucho más inherentemente cuántica. Teorizaron que el átomo en realidad está haciendo muchas cosas simultáneamente: dispersar no sólo fotones individuales sino también, mediante un proceso completamente diferente, pares, tripletes y cuatrillizos fotónicos. Sin embargo, sólo un fotón llega al detector a la vez debido a la interferencia cuántica entre estos procesos.

Se produce una interferencia regular entre dos ondas, como las ondas de un estanque, superponiéndose en un patrón de crestas y valles. Una característica distintiva del mundo cuántico es que la interferencia se produce no sólo entre ondas reales sino también entre probabilidades: un fotón enviado a través de dos rendijas tiene cierta probabilidad de pasar por la izquierda y cierta probabilidad de pasar por la derecha. Los dos caminos posibles interfieren entre sí, formando un patrón de crestas y valles. Bloquee cualquiera de las rendijas y el patrón desaparecerá. “Me gusta decirles a mis alumnos: ‘Imagínense que quieren evitar que un ladrón entre a su casa y vaya a la sala de estar. Simplemente deje dos puertas abiertas y se producirán interferencias destructivas y los ladrones no podrán entrar en la sala de estar’”, bromea el físico. Jean Dalibardcoautor del artículo de 1984.

Sin embargo, en el modelo de Dalibard esta interferencia no es una broma en absoluto. En realidad, ocurre entre los dos procesos subyacentes, la dispersión de un solo fotón y la dispersión de múltiples fotones. Y esto no sucede en el espacio sino en el tiempo, de modo que aparece una probabilidad mínima para dos fotones que llegan al mismo tiempo. De modo que el átomo realiza múltiples tareas, pero lo hace de una manera que parece sospechosamente como si estuviera haciendo una sola cosa.

Atrapados en los Hechos

La compleja descripción que hace Dalibard del átomo multitarea languideció en relativa oscuridad hasta hace poco. “Me alegré mucho de que el grupo de Berlín encontrara este artículo. No sé cómo lo hicieron”, dice. Por su parte, los investigadores de Berlín quedaron fascinados por la teoría contraintuitiva introducida por Dalibard y su coautor, el físico Serge Reynaud. “Cuando empezamos a profundizar en la literatura antigua de los años 1980, nos sentimos realmente intrigados”, dice Max Schemmer, ex investigador postdoctoral en la Universidad Humboldt de Berlín y coautor del trabajo reciente.

Schemmer y sus colegas vieron el potencial de la tecnología desarrollada recientemente para probar experimentalmente esta teoría. Primero, enfriaron una nube de átomos de rubidio hasta apenas por debajo del cero absoluto. Luego usaron pinzas ópticas(un rayo láser enfocado lo suficientemente fuerte como para atrapar objetos extremadamente pequeños) para aislar y retener un átomo. Luego iluminaron ese átomo con otro láser sintonizado con la preferencia de dispersión del rubidio y colocaron una lente a un lado para recoger la luz dispersada y canalizarla hacia una fibra óptica.

Para bloquear el color más brillante, los investigadores guiaron la luz hacia un filtro finamente sintonizado creado por un anillo de fibra óptica. La longitud del anillo fue elegida y ajustada con precisión para crear una interferencia destructiva para un solo color de luz. Cuando este filtro se incluyó en el camino de la luz, vieron desaparecer el color más brillante. Y como habían predicho Dalibard y Reynaud, fotones de dos colores ligeramente diferentes comenzaron a llegar al detector en pares simultáneos.

Al bloquear el color más brillante, desconectando así el proceso de generación de fotón único del átomo, Schemmer y sus colegas pudieron ver el otro proceso en acción sin la interferencia destructiva creada por el átomo único dominante, muy parecido a un semáforo que ilumina ambos. verde y amarillo cuando el rojo está bloqueado.

Una promesa práctica

La “segunda tarea” del átomo de dispersar fotones en pares podría resultar útil para la computación y la comunicación cuánticas. Una vez que se bloquea el color más brillante, los pares de fotones que llegan simultáneamente se entrelazan entre sí; el entrelazamiento es el ingrediente no tan secreto que otorga a los enfoques cuánticos ventajas sobre los clásicos.

Los pares de fotones entrelazados podrían usarse para compartir información cuántica a través de grandes distancias o para transmitirla entre diferentes medios. Convenientemente, los pares de fotones producidos con esta técnica tienen un color muy preciso en lugar de estar distribuidos en porciones más grandes del arco iris como los pares de fotones producidos por métodos convencionales. Esto los hace particularmente útiles para almacenar eficientemente información cuántica en un dispositivo de memoria cuántica, afirma Schemmer, lo que a su vez podría conducir a redes de comunicación cuántica más robustas.

Además, estos pares de fotones poseen un tipo único de entrelazamiento que no ofrecen otras fuentes: una sincronización en el tiempo. “Existe una técnica para producir pares de fotones entrelazados”, dice Magdalena Stobinska, un experto en óptica cuántica, que no participó en el trabajo. “Pero este es un grado de libertad diferente y, por lo tanto, se puede utilizar para diferentes tipos de aplicaciones. Por lo tanto, amplía la paleta de pares de fotones entrelazados producidos de manera eficiente. Y creo que eso es genial”.

Y la teoría predice que los pares de fotones no son el final de la historia. El átomo también dispersa simultáneamente fotones entrelazados de tres en tres, de cuatro en cuatro, etc. Bloquear el rojo en este “semáforo” hace que no solo brillen el amarillo y el verde, sino también el azul, el naranja y mucho más. Los grupos de fotones entrelazados creados de esta manera podrían servir como recursos para la computación cuántica basada en fotones. “Este sistema es como un tesoro de correlaciones cuánticas”, dice Fabrice P. Laussy, profesor de interacciones luz-materia en la Universidad de Wolverhampton en Inglaterra, quien revisó el estudio reciente pero no participó en la investigación. “Todo está ahí dentro”.