Físicos en los EEUU ha creado las primeras «moléculas» a partir de dos fotones. Su experimento consiste en disparar pares de fotones a través de un gas de átomos ultrafrío, donde una interacción atractiva hace que los fotones se unan y se conviertan en cuánticamente entrelazados. El descubrimiento podría permitir que tanto las computadoras convencionales como las cuánticas codifiquen y procesen información utilizando fotones
Obtener que los fotones se «peguen» no es fácil, ya que normalmente pasan a través de los otros sin interactuar. Sin embargo, un fotón tiene un campo electromagnético asociado que puede modificar su medio circundante. Estos cambios pueden afectar a los fotones cercanos y crear una interacción eficaz entre ellos. Aunque este efecto es generalmente pequeño, las interacciones pueden ser importantes si se elige el medio cuidadosamente.
Gas enfriado
En el nuevo estudio, un equipo dirigido por Mikhael Lukin en la Universidad de Harvard y Vladan Vuletic en el Instituto de Tecnología de Massachusetts ha creado fuertes interacciones entre los fotones enviándolos a través de un gas de átomos de rubidio enfriado a una temperatura de unos pocos grados por encima del cero absoluto. El experimento incluyó el uso de luz de láser azul con una longitud de onda cuidadosamente elegida de 479 nm, que modifica los átomos de rubidio para que un fotón pueda compartir algo de su energía con varios átomos y crear un «estado de Rydberg» colectivo. Este estado es como un átomo de Rydberg —en el que un electrón es promovido a un estado de muy alta energía— pero, en cambio, el electrón se comparte entre diferentes átomos.
Este estado de Rydberg se propaga a través del gas como un fotón lento con una masa diferente de cero y cuando el estado colectivo alcanza el borde opuesto de la nube de gas, el fotón re-emerge a su energía original. Cuando se forma un estado de Rydberg, sin embargo, se hace imposible que se creen cerca más estados de Rydberg, gracias a un proceso llamado bloqueo de Rydberg. Así, cuando se disparan dos fotones en el gas en rápida sucesión, el primero forma un estado Rydberg, pero el segundo no lo hace. En lo que se refiere al segundo fotón, la región del estado de Rydberg tiene un índice de refracción diferente que el resto del gas, lo que hace que el segundo fotón permanezca cerca del primero a medida que viajan juntos a través del gas. El resultado es un estado ligado de dos fotones —o una molécula— que se desplaza a través del gas atómico.
Emergiendo juntos
Para supervisar esta tendencia a permanecer juntos, el equipo midió el intervalo de tiempo entre la detección del primero y segundo fotón en el par. En lugar de ver el segundo fotón superando el fotón lento en estado de Rydberg, los dos tienden a surgir juntos del gas. «Es una interacción fotónica que está mediada por la interacción atómica, lo que hace que estos dos fotones se comporten como una molécula», dice Lukin. «Así que cuando salen del medio, son mucho más propensos a hacerlo juntos que los fotones individuales.»
El equipo también pudo demostrar que los fotones de cada par se entrelazaron en su polarización. Los investigadores hicieron esto disparando pares de fotones con una polarización específica en el gas. Mientras los fotones viajan a través del medio, sus polarizaciones cambian. Midiendo la correlación entre las polarizaciones de los fotones, el equipo pudo demostrar que los fotones se habían entrelazado al formar una molécula.
Moléculas fotónicas
Crear interacciones entre los fotones no es sólo de interés intrínseco, también podría dar lugar a computadoras más eficientes energéticamente que utilicen pulsos de luz en lugar de impulsos eléctricos para procesar la información más y más rápido. Hoy, estos sistemas no son prácticos debido a que los pulsos de luz primero deben ser convertidos a pulsos eléctricos para el procesamiento y luego de vuelta , lo que es muy ineficiente. Si se pudiera hacer que los pulsos de luz interactúen unos con otros, entonces se podrían hacer puertas lógicas totalmente ópticas para procesar la información.
Las moléculas de fotones también podrían ayudar a desarrollar computadoras cuánticas, que aprovechen el principio de entrelazamiento para dar a dos partículas correlaciones mucho más fuertes de lo permitido por la física clásica. Mientras que los fotones son muy buenos para la transmisión de bits cuánticos (qubits) de información a través de largas distancias, el hecho de que no interactúen normalmente entre sí hace que sea difícil crear puertas lógicas totalmente ópticas. «Para qué va a ser de utilidad, nosotros no lo sabemos todavía, pero es un nuevo estado de la materia, por lo que tenemos la esperanza de que puedan surgir nuevas aplicaciones a medida que seguimos investigando propiedades de estas moléculas fotónicas», dice Lukin.
La investigación se describe en Nature.
Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti
Más información: