Los científicos abren la puerta a la manipulación de la ‘luz cuántica’
Por primera vez, científicos de la Universidad de Sydney y la Universidad de Basilea en Suiza han demostrado la capacidad de manipular e identificar pequeñas cantidades de fotones que interactúan (paquetes de energía luminosa) con alta correlación.
Este logro sin precedentes representa un hito en el desarrollo de las tecnologías cuánticas. Se publica hoy en Física Natural.
La emisión de luz estimulada, postulada por Einstein en 1916, se observa ampliamente para un gran número de fotones y sentó las bases para la invención del láser. Gracias a esta investigación, ahora se ha observado la emisión estimulada de fotones individuales.
Específicamente, los científicos pudieron medir la demora directa entre un fotón y un par de fotones unidos que se dispersan en un solo punto cuántico, un tipo de átomo creado artificialmente.
«Esto abre la puerta a la manipulación de lo que podemos llamar ‘luz cuántica'», dijo el Dr. Sahand Mahmoodian de la Facultad de Física de la Universidad de Sydney y coautor principal de la investigación.
El Dr. Mahmoodian dijo: “Esta ciencia básica allana el camino para los avances en las técnicas de medición mejoradas cuánticas y la computación cuántica fotónica.
Al observar cómo la luz interactuaba con la materia hace más de un siglo, los científicos descubrieron que la luz no era un haz de partículas, ni un patrón de onda de energía, sino que exhibía ambas características, conocidas como dualidad onda-partícula.
La forma en que la luz interactúa con la materia continúa fascinando a los científicos y la imaginación humana, tanto por su belleza teórica como por su poderosa aplicación práctica.
Desde cómo viaja la luz a través de los vastos espacios del medio interestelar hasta el desarrollo del láser, la investigación de la luz es una ciencia vital con importantes aplicaciones prácticas. Sin estos fundamentos teóricos, prácticamente todas las tecnologías modernas serían imposibles. Sin teléfonos celulares, sin red de comunicaciones global, sin computadoras, sin GPS, sin imágenes médicas modernas.
Una de las ventajas de utilizar la luz en las comunicaciones, a través de fibra óptica, es que los paquetes de energía luminosa, los fotones, no interactúan fácilmente entre sí. Esto crea una transferencia de información casi sin distorsiones a la velocidad de la luz.
Sin embargo, a veces queremos que la luz interactúe. Y ahí, la cosa se complica.
Por ejemplo, la luz se usa para medir pequeños cambios en la distancia usando instrumentos llamados interferómetros. Estas herramientas de medición ahora son comunes, ya sea en imágenes médicas avanzadas, para tareas importantes pero quizás más prosaicas como el control de calidad de la leche, o en forma de instrumentos sofisticados como LIGO, que midió ondas gravitacionales por primera vez en 2015.
Las leyes de la mecánica cuántica establecen límites a la sensibilidad de tales dispositivos.
Este límite se establece entre la sensibilidad de una medida y el número medio de fotones en el dispositivo de medida. Para la luz láser clásica, esto es diferente de la luz cuántica.
La autora principal conjunta, la Dra. Natasha Tomm, de la Universidad de Basilea, dijo: «El dispositivo que construimos indujo interacciones tan fuertes entre los fotones que pudimos observar la diferencia entre un fotón que interactúa con él y dos».
«Observamos que un fotón se retrasó más que dos fotones. Con esta interacción fotón-fotón realmente fuerte, los dos fotones se enredan en lo que se llama un estado ligado de dos fotones».
La luz cuántica como esta tiene la ventaja de que, en principio, puede realizar mediciones más sensibles con una mejor resolución utilizando menos fotones. Esto puede ser importante para aplicaciones en microscopía biológica donde las altas intensidades de luz pueden dañar las muestras y donde las características a observar son particularmente pequeñas.
«Al demostrar que podemos identificar y manipular estados unidos a fotones, hemos dado un primer paso esencial para aprovechar la luz cuántica para un uso práctico», dijo el Dr. Mahmoodian.
«Los próximos pasos en mi investigación son ver cómo se puede usar este enfoque para generar estados de luz útiles para la computación cuántica tolerante a fallas, que están buscando compañías multimillonarias, como PsiQuantum y Xanadu».
El Dr. Tomm dijo: «Este experimento es magnífico, no solo porque valida un efecto fundamental, la emisión estimulada, en su límite máximo, sino que también representa un gran paso tecnológico hacia aplicaciones avanzadas».
«Podemos aplicar los mismos principios para desarrollar dispositivos más eficientes que nos proporcionen estados unidos a fotones. Esto es muy prometedor para aplicaciones en una amplia gama de campos: desde la biología hasta la fabricación avanzada y el procesamiento de información cuántica».
La investigación fue una colaboración entre la Universidad de Basilea, la Universidad Leibniz de Hannover, la Universidad de Sydney y la Universidad Ruhr de Bochum.
Los autores principales son la Dra. Natasha Tomm de la Universidad de Basilea y el Dr. Sahand Mahmoodian de la Universidad de Sydney, donde es futuro miembro del Consejo de Investigación de Australia y profesor titular.
Los átomos artificiales (puntos cuánticos) se fabricaron en Bochum y se utilizaron en un experimento realizado en el grupo de Nanofotónica de la Universidad de Basilea. El trabajo teórico sobre el descubrimiento fue dirigido por el Dr. Mahmoodian en la Universidad de Sydney y la Universidad Leibniz de Hanover.
Más información:
Natasha Tomm, Dinámica de los estados unidos a fotones de un solo átomo artificial, Física Natural (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-01997-6. www.nature.com/articles/s41567-023-01997-6
