03/Ene/09

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Los físicos de la Universidad de Toronto son los primeros en "apretar" la luz al límite cuántico

Un equipo de físicos de la Universidad de Toronto ha demostrado una nueva técnica para apretar la luz al límite cuántico fundamental, un hallazgo que tiene potenciales aplicaciones para mediciones de alta precisión, relojes atómicos de la próxima generación, la nueva computación cuántica y nuestro conocimiento más fundamental del universo

Una progresión de estados
de un trifotón apretado
en espiral hacia afuera.
La incertidumbre cuántica
en los trifotones se puede
representar como una
gota sobre una esfera
que se va "apretando"
progresivamente.

Krister Shalm, Rob Adamson y Aephraim Steinberg del departamento de física y centro para la información cuántica y control cuántico de la Universidad de Toronto, publican sus hallazgos en la edición del 1 de enero de la prestigiosa e internacional revista Nature.

"La medición de precisión yace en el corazón de toda ciencia experimental: si podemos medir algo con mayor exactitud, más información podemos obtener. En el mundo cuántico, donde las cosas siempre son más pequeñas, la exactitud de la medición se vuelve más y más difícil", explica la doctora estudiante Krister Shalm.

Una imagen
estilizada de
un trifotón
apretado al
máximo.
La incertidumbre
cuántica en
este estado
se ha transformado
de una gota circular
y ahora está
desparramada
alrededor
de la superficie
de la esfera.

La luz es una de las herramientas de medición más precisa en la física y ha sido usada para sondear cuestiones fundamentales en la ciencia, desde la relatividad especial hasta cuestiones con respecto a la gravedad cuántica. Pero la luz tiene sus límites en el mundo de la tecnología cuántica moderna.

La partícula más pequeña de luz es un fotón y es tan pequeña que una bombilla corriente emite miles de millones de fotones en una billonésima de segundo. "A pesar de la inimaginable naturaleza efervescente de estas diminutas partículas, las tecnologías cuánticas modernas dependen de un solo fotón para almacenar y manipular la información. Pero la incertidumbre, también conocida como ruido cuántico, interfiere con la información", explica el profesor Aephraim Steinberg.

La compresión es una manera de incrementar la certidumbre en una cantidad tal como posición o velocidad, pero lo hace a cierto costo. "Si se comprime la certidumbre de una propiedad que es de particular interés, la incertidumbre de otra propiedad complementaria crece inevitablemente", dice.

En el experimento de la Universidad de Toronto, los físicos combinaron tres fotones separados de luz dentro de una fibra óptica, para crear un trifotón. "Una extraña característica de la física cuántica es que cuando se combinan algunos fotones idénticos, mientras están dentro de las fibras ópticas como las que se usan para llevar Internet a nuestras casas, sufren una "crisis de identidad" y uno ya no puede decir qué está haciendo cada fotón individual", dice Steinberg. Los autores entonces comprimieron el estado trifotónico para recoger la información cuántica que estaba codificada en la polarización del trifotón. (La polarización es una propiedad de la luz que está en la base de las películas en 3D, en las lentes para reducir el resplandor solar, y en una ola próxima de tecnologías avanzadas como la criptografía cuántica.)

Una imagen de un trifotón
no comprimido.
La incertidumbre cuántica
en este estado
es representada
por una gota circular
sobre el polo norte
de la esfera.

En todos los trabajos previos, se suponía que uno podía apretar indefinidamente, y simplemente tolerar el aumento de la incertidumbre en una dirección poco interesante. "Pero el mundo de la polarización, como la Tierra, no es plano", dice Steinberg.

"Un estado de polarización puede ser pensado como un pequeño continente que flota sobre una esfera. Cuando apretamos nuestro continente trifotón, al principio todo sucedió como en los experimentos anteriores. Pero cuando lo apretamos bastante más, el continente se alargó tanto que empezó a "envolver" la superficie de la esfera", dice.

"Para exagerar la metáfora, todos los experimentos previos estaban limitados a áreas tan pequeñas que la esfera, como su ciudad natal, parecía que fuera plana. Este trabajo necesitaba dibujar el trifotón sobre un globo, que representamos sobre una esfera que proveía una visión intuitiva y fácilmente aplicable. Al hacerlo, mostramos por primera vez que la naturaleza esférica de la polarización crea estados cualitativamente diferentes, y que pone un límite a cuánto es posible apretar", dice Steinberg.

Una imagen de un trifotón
apretado al máximo.
La incertidumbre cuántica
en este estado
ha sido transformada,
ya no es una gota circular
sino que ahora se esparce
alrededor de la superficie
de la esfera.

"Al crear este estado especial combinado nos permite estudiar apropiadamente los límites de compresión", dice Rob Adamson. "Por primera vez, hemos demostrado una técnica para generar cualquier estado deseado de trifotón, y demostramos que la naturaleza esférica de los estados de polarización de la luz tiene consecuencias inevitables. Para decirlo simplemente: para visualizar apropiadamente estados cuánticos de la luz, uno debería dibujarlos sobre una esfera".

Fuente: U. de Toronto. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard