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Físicos observan entrelazamiento de fotones para crear estructuras más complejas


Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de Harvard han demostrado que los fotones pueden interactuar entre sí para formar estructuras más complejas. Este es un logro histórico que podría abrir el camino hacia el uso de fotones en la computación cuántica.

Prueba un experimento rápido: toma dos linternas en una habitación oscura y préndelas para que se crucen sus haces de luz ¿Notas algo peculiar? La respuesta más lógica es que no ocurrió nada especial. Eso es porque los fotones individuales que componen la luz no interactúan. En cambio, simplemente se cruzan, como espíritus indiferentes en la noche.

Pero, ¿qué pasaría si las partículas de luz pudieran interactuar, atraerse y repelerse entre sí, como los átomos en la materia común? Una posibilidad tentadora, aunque de ciencia ficción. La posibilidad de crear rayos de luz que pueden tirar y empujar unos sobre otros, lo que crea enfrentamientos épicos deslumbrantes, es alucinante. O, en un escenario más probable, dos haces de luz podrían encontrarse y fusionarse en una sola corriente luminosa.

Puede parecer que tal comportamiento óptico requeriría quebrantar las leyes de la física, pero de hecho, los científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad de Harvard han demostrado que los fotones pueden interactuar unos con otros y entrelazarse para formar estructuras más complejas, un logro que podría abrir el camino hacia el uso de fotones en la computación cuántica.

En un artículo publicado en la revista Science, el profesor de física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, Lester Wolfe y el profesor Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard, informan que han observado grupos de fotones interactuando y, en efecto, uniéndose para formar un tipo completamente nuevo de materia fotónica.

En experimentos controlados, los investigadores encontraron que cuando hacían brillar un rayo láser muy débil a través de una nube densa de átomos de rubidio ultrafríos, en lugar de salir de la nube como fotones individuales, los fotones se unían en pares o trillizos, lo que sugería algún tipo de interacción, en este caso, atracción, que estaba teniendo lugar entre ellos.

Normalmente los fotones no tienen masa y viajan a 300,000 kilómetros por segundo (la velocidad de la luz), los investigadores se dieron cuenta que los fotones adquirieron una fracción de la masa de un electrón. También detectaron que estas partículas de luz eran relativamente lentas, viajando aproximadamente a 100.000 veces más lentos que los fotones normales.

Vuletic, líder del equipo dice que los resultados demuestran que los fotones pueden atraerse o enredarse entre sí. Si se pudiera hacer que interactúen de otras maneras, los fotones se podrían utilizar para realizar cómputos cuánticos extremadamente rápidos e increíblemente complejos.

"La interacción de los fotones individuales ha sido solo un sueño durante décadas", dice Vuletic.

Vuletic y Lukin dirigen el Centro MIT-Harvard para los átomos ultra fríos, y juntos han estado buscando formas, tanto teóricas como experimentales, para fomentar las interacciones entre los fotones. En 2013, el esfuerzo valió la pena, ya que el equipo observó pares de fotones interactuando y uniéndose por primera vez, creando un estado de materia completamente nuevo.

En su nuevo trabajo, los investigadores se preguntaron si las interacciones podrían tener lugar no solo entre dos fotones, sino con algo más.

"Por ejemplo, puedes combinar moléculas de oxígeno para formar O2 y O3 (ozono), pero no O4, y para algunas moléculas no puedes formar ni siquiera una molécula de tres partículas", dice Vuletic. "Entonces, era una pregunta abierta: ¿puedes agregar más fotones a una molécula para hacer cosas cada vez más grandes?"

Para averiguarlo, el equipo utilizó el mismo enfoque experimental que utilizaron para observar las interacciones de dos fotones. El proceso comienza con el enfriamiento de una nube de átomos de rubidio a temperaturas ultra frías, solo una millonésima parte de un grado por encima del cero absoluto. Al enfriar los átomos, los ralentizan hasta casi detenerlos. A través de esta nube de átomos inmovilizados, los investigadores luego iluminan con un rayo láser muy débil, tan débil que sólo un puñado de fotones viaja a través de la nube de átomos.

Luego, los investigadores miden los fotones a medida que salen del otro lado de la nube atómica. En el nuevo experimento, descubrieron que los fotones fluían como pares y trillizos, en lugar de salir de la nube a intervalos aleatorios, como fotones aislados que no tenían nada que ver entre sí.

Además de rastrear el número y la velocidad de los fotones, el equipo midió la fase de los fotones, antes y después de viajar a través de la nube atómica. La fase de un fotón indica su frecuencia de oscilación.

"La fase te indica qué tan fuertemente están interactuando, y cuanto mayor es la fase, más fuerte están unidos", explica Venkatramani. El equipo observó que cuando las partículas de tres fotones salían de la nube atómica simultáneamente, su fase se desplazaba más, en comparación con la fase que tenían cuando los fotones no interactúaban, y eran tres veces más grandes que la fase de las moléculas de dos fotones. "Esto significa que estos fotones no solo interactúan de forma independiente entre sí, sino que también interactúan de manera conjunta".


Descubrimiento memorable

Luego, los investigadores desarrollaron una hipótesis para explicar qué pudo haber causado que los fotones interactuarán de esta manera. Su modelo, basado en principios físicos, presenta el siguiente escenario: cuando un fotón se mueve a través de la nube de átomos de rubidio (Rb), aterriza brevemente en un átomo cercano antes de saltar a otro átomo, como una abeja revoloteando entre flores, hasta que alcanza el extremo final.

Si otro fotón viaja simultáneamente a través de la nube, también puede pasar un tiempo en un átomo de rubidio, formando un polaritón, un híbrido que es parte del fotón, parte del átomo. Entonces, dos polaritones pueden interactuar entre sí a través de su componente atómico. En el borde de la nube, los átomos permanecen donde están, mientras que los fotones salen. Los investigadores encontraron que este mismo fenómeno puede ocurrir con tres fotones, formando un vínculo aún más fuerte que las interacciones entre dos fotones.

Toda la interacción dentro de la nube atómica ocurre a más de una millonésima de segundo. Y esta interacción es lo que verdaderamente hace que los fotones permanezcan unidos, incluso después de que abandonan la nube.

"Lo bueno de esto es que cuando los fotones pasan por el medio de esta nube atómica, cualquier cosa que suceda, los fotones 'la recuerdan' cuando salen", dicen los investigadores.

Esto significa que los fotones que han interactuado entre sí, pueden considerarse correlacionados o enredados, una propiedad clave para cualquier bit de computación cuántica.

"Los fotones pueden viajar muy rápido a largas distancias, y las personas han estado usando la luz para transmitir información, como en fibras ópticas. Si los fotones se pueden correlacionarse entre sí, entonces se pueden enredar estos fotones, y lo hemos hecho, entonces podemos utilizarlos para distribuir información cuántica de una manera útil", concluyen diciendo los científicos.

En el futuro, el equipo buscará la forma de forzar otras interacciones, como la repulsión, donde los fotones pueden diseminarse unos a otros como bolas de billar.

"Es completamente novedoso en el sentido de que a veces ni siquiera sabemos cualitativamente qué esperar. Con la repulsión de los fotones, ¿pueden ser tales como para formar un patrón regular, como un cristal de luz? ¿O sucederá algo más? Es territorio desconocido", concluye diciendo Vuletic.

Referencia del documento científico:
Qi-Yu Liang et al. Observación de estados de tres fotones entrelazados en un medio cuántico no lineal. Science, 16 de febrero de 2018:, Vol. 359, Número 6377, pp. 783-786. DOI: 10.1126 / science.aao7293

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