Primer paso fundamental para el uso práctico de la luz cuántica
Por primera vez se ha demostrado la capacidad de manipular e identificar pequeñas cantidades de fotones que interactúan (paquetes de energía luminosa) con una alta correlación.
Este logro sin precedentes representa un hito importante en el desarrollo de las tecnologías cuánticas, según los científifcos de las universidades de Sydney y Basilea que publican el avance en Nature Physics.
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. Con esta investigación, ahora se ha observado la emisión estimulada de fotones individuales.
Específicamente, los científicos pudieron medir el tiempo de retraso directo 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 en un comunicado el Dr. Sahand Mahmoodian de la Facultad de Física de la Universidad de Sydney y autor principal conjunto de la investigación.
El Dr. Mahmoodian dijo: "Esta ciencia fundamental abre el camino para los avances en las técnicas de medición mejoradas cuánticamente 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 cautivando a los científicos y la imaginación humana, tanto por su belleza teórica como por su poderosa aplicación práctica.
Ya sea cómo la luz atraviesa los vastos espacios del medio interestelar o el desarrollo del láser, la investigación de la luz es una ciencia vital con importantes usos prácticos. Sin estos fundamentos teóricos, prácticamente toda la tecnología moderna sería imposible. Sin teléfonos móviles, sin red de comunicación global, sin computadoras, sin GPS, sin imágenes médicas modernas.
Una ventaja de usar la luz en la comunicación, a través de fibras ópticas, 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 aquí, las cosas se complican.
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 realizar el control de calidad de la leche, o en forma de instrumentos sofisticados como LIGO, que midió por primera vez las ondas gravitacionales en 2015.
Las leyes de la mecánica cuántica establecen límites en cuanto a la sensibilidad de tales dispositivos.
Este límite se establece entre lo sensible que puede ser una medición y el número promedio de fotones en el dispositivo de medición. Para la luz láser clásica, esto es diferente a 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 en comparación con dos".
"Observamos que un fotón se retrasó más tiempo en comparación con dos fotones. Con esta interacción fotón-fotón realmente fuerte, los dos fotones se entrelazan en la forma de 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 cuando las grandes 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 fundamental 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 que sean útiles para la computación cuántica tolerante a fallas, que es lo que persiguen compañías multimillonarias, como PsiQuantum y Xanadu".
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