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Un nuevo estudio predice un efecto Ricitos de Oro cuántico

Estudiando un sistema que forma parejas de materia y luz juntos, como ocurre en el universo, los investigadores han encontrado ahora que cruzando una transición de fase cuántica a velocidades intermedias se genera la estructura más rica, más compleja. Esta estructura se asemeja a ‘imperfecciones’ en un espacio que de otro modo sería liso y vacío

Los resultados se publican en Physical Review A, revista principal de la American Physical Society.

«Nuestros hallazgos sugieren que el universo fue ‘cocinado’ a justo la velocidad correcta», dice Neil Johnson, profesor de física en la Escuela de Artes y Ciencias de la Universidad de Miami y uno de los autores del estudio. «Nuestro trabajo proporciona un modelo simple que se puede realizar en un chip de laboratorio, para explorar cómo se desarrolla esta estructura imperfecta cuando cambia la velocidad de cocinado.»

El gran misterio sobre el origen del universo es cómo lograron evolucionar de la nada los cúmulos de estrellas, sistemas planetarios, galaxias y otros objetos que ahora vemos. Existe la creencia generalizada dentro de la comunidad científica de que el nacimiento de la estructura del universo se encuentra en el cruce de una transición de fase cuántica, y que cuanto más rápido se cruza la transición, más estructura se genera. Los nuevos resultados contradicen esa creencia.

El estudio arroja nueva luz sobre cómo generar, controlar y manipular el entrelazamiento cuántico, ya que las imperfecciones contienen grupos de entrelazamiento cuántico de todos los tamaños. Los resultados son la clave para una nueva generación de tecnologías futuristas; en particular, la computación cuántica ultrarrápida, la criptografía cuántica ultra segura, la metrología cuántica de alta precisión y hasta la teletransportación cuántica de información.

«El entrelazamiento cuántico es como el ‘bitcoin‘ que financia el universo en términos de interacciones e información», dijo Johnson. «Es la salsa mágica que une a todos los objetos en el universo, incluyendo la luz y la materia.»

En el mundo cotidiano, una sustancia puede someterse a una transición de fase a diferentes temperaturas; por ejemplo, el agua se convertirá en hielo o vapor cuando esté lo suficientemente fría o caliente. Pero en el mundo cuántico, el sistema puede someterse a una transición de fase a temperatura de cero absoluto, simplemente cambiando la cantidad de interacción entre la luz y la materia. Esta transición de fase genera entrelazamiento cuántico en el proceso.

A Johnson le gusta comparar la aparición de estructuras de luz-materia altamente entrelazadas, cuando se cruza la transición de fase cuántica, con la forma en que aparecen de la «nada» trozos de gachas de cuando se calienta la leche y la avena.

«Si cruzas la transición a la velocidad adecuada (cocinando a la velocidad correcta), las estructuras (protuberancias) que aparecen son mucho más complejas —más ‘sabrosas’— que si se cruza rápido o lento», dice Johnson. «Dedido a que se está cruzando una transición de fase cuántica, las estructuras que aparecen contienen grupos de entrelazamiento cuántico».

Los resultados del estudio, titulado «Enhanced dynamic light-matter entanglement from driving neither too fast nor too slow«, son fuertes para una amplia gama de tamaños de los sistemas, y el efecto se puede realizar por medio de montajes experimentales existentes, en condiciones realistas. O.L. Acevedo, de la Universidad de los Andes, Colombia, es el autor principal del estudio. Otros co-autores de la Universidad de los Andes son L. Quiroga y F.J. Rodríguez.

 

 

«Entender el entrelazamiento cuántico en los sistemas de luz-materia es sin duda el problema fundamental de la física», dijo Johnson.

El documento actual abre una nueva línea de investigación en esta área. Además, proporciona una oportunidad única para diseñar y construir nuevos sistemas en nanoestructura que aprovechan y manipulan efectos de entrelazamiento cuántico. Los investigadores ahora están buscando especificar las condiciones precisas que necesitarán los experimentadores con el fin de ver el efecto de entrelazamiento cuántico mejorado que predicen.

Universidad de Miami. «Un nuevo estudio predice un efecto Ricitos de Oro cuántico: todo con moderación». ScienceDaily.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Físicos del NIST muestran que son posibles las "moléculas" hechas de luz

Todavía no llegó el tiempo de los sables de luz, todavía no. Sin embargo, un equipo que incluye físicos teóricos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standards and Technology, NIST) ha dado un nuevo paso hacia la creación de objetos formados de fotones, y los hallazgos dan indicios de que las ingrávidas partículas de la luz se pueden unir en una especie de «molécula», con su propia fuerza peculiar

El hallazgo se basa en investigaciones previas a las que varios miembros del equipo contribuyeron a antes de unirse a NIST. En 2013, los colaboradores de la Universidad de Harvard, Caltech y MIT encontraron una manera de unir dos fotones para que uno se pudiese montar justo encima del otro, superpuestos mientras viajan. Su demostración experimental se consideró un gran avance, porque nunca nadie había construido nada combinando fotones, lo que inspira a algunos a imaginar que los sables de luz en la vida real están a la vuelta de la esquina.


Los investigadores demuestran que dos fotones, representados en la concepción de un artista en forma de ondas (izquierda y derecha), se pueden enganchar juntos a una distancia corta. Bajo ciertas condiciones, los fotones pueden formar un estado parecido a una molécula de dos átomos, representado en la forma de mancuerna azul en el centro. Crédito: E. Edwards / JQI

Ahora, en un artículo en la revista Physical Review Letters, el NIST y el equipo con sede en la Universidad en Maryland (con otros colaboradores), han demostrado teóricamente que ajustando algunos parámetros del proceso de unión, los fotones podrían viajar uno al lado del otro, a una distancia específica entre sí. La disposición es similar a la forma en que dos átomos de hidrógeno se ubican uno junto al otro en una molécula de hidrógeno.

«No es una molécula per se, pero se puede imaginar que tienen el mismo tipo de estructura», dice Alexey Gorshkov, del NIST. «Estamos aprendiendo cómo construir estados complejos de la luz que, a su vez, se pueden incluir en objetos más complejos. Esta es la primera vez que alguien ha demostrado cómo enlazar dos fotones separados una distancia finita».

Mientras que los nuevos hallazgos parecen ser un paso en la dirección correcta —si podemos construir una molécula de la luz, ¿por qué no una espada?— Gorshkov dice que no es optimista con respecto a que los Caballeros Jedi harán cola en la tienda de regalos del NIST en algún momento cercano. La razón principal es que unir los fotones requiere condiciones extremas difíciles de producir con una habitación llena de equipos de laboratorio, por no hablar de encajarlos en el mango de una espada. Aún así, hay un montón de otras razones más humildes para hacer moleculas de luz que los sables de luz, pero útiles, no obstante.

«Un montón de tecnologías modernas se basan en la luz, desde la tecnología de la comunicación a las imágenes de alta definición», dice Gorshkov. «Muchas de ellas se pueden mejorar en gran medida si pudiéramos diseñar interacciones entre los fotones.»

Por ejemplo, los ingenieros necesitan una manera de calibrar con precisión los sensores de luz y Gorshkov dice que los hallazgos podrían hacer que sea mucho más fácil crear una «candela estándar» que lleve el brillo de un número preciso de fotones a un detector. Tal vez lo más significativo para la industria, vincular y entrelazar fotones podría permitir que los ordenadores usen fotones como procesadores de información, un trabajo que hoy hacen los interruptores electrónicos en su computadora.

Esto no sólo proporciona una nueva base para la creación de la tecnología informática, sino que también podría resultar en un ahorro sustancial de energía. Los mensajes telefónicos y otros datos que actualmente viajan en haces de luz a través de cables de fibra óptica tienen que ser convertidos en electrones para procesarlos, en un paso ineficiente que desperdicia una gran cantidad de electricidad. Si tanto el transporte y el procesamiento de los datos se pudiese hacer con fotones directamente, se podría reducir estas pérdidas de energía.

 

 

Gorshkov dice que será importante probar la nueva teoría en la práctica para estimar estos y otros beneficios potenciales.

«Es una nueva manera fresca de estudiar fotones», dice. «No tienen masa y viajan a la velocidad de la luz. Ralentizarlos y vincularloss nos puede mostrar otras cosas que no sabíamos acerca de ellos».

Artículo de referencia: MF magrebí, MJ Gullans, P. Bienias, S. Choi, I. Martin, O. Firstenberg, MD Lukin, HP Büchler y AV Gorshkov. Coulomb Bound States of Strongly Interacting Photons. Physical Review Letters, 16 de septiembre 2015.

Fuente: NIST. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Crean por primera vez un agujero de gusano magnético

Los agujeros de gusano son túneles cósmicos que pueden conectar dos regiones distantes del universo, y se han popularizado por la difusión de la física teórica y por las obras de la ciencia ficción como Stargate, Star Trek o, más recientemente, Interestelar. Utilizando la tecnología de hoy en día sería imposible crear un agujero de gusano gravitacional, ya que el campo tendría que ser manipulado con enormes cantidades de energía gravitacional, que nadie sabe aún cómo generar

En electromagnetismo, sin embargo, los avances en metamateriales y la invisibilidad han permitido que los investigadores presentaran varios diseños para lograrlo.

Los científicos en el Departamento de Física de la Universitat Autónoma de Barcelona han diseñado y creado en el laboratorio el primer agujero de gusano experimental que puede conectar magnéticamente dos regiones del espacio. Consiste en un túnel que transfiere el campo magnético de un punto a otro mientras se mantiene indetectable —invisible— en todo su recorrido. La investigación fue resaltada en un artículo reciente en la revista Nature.

Los investigadores utilizaron metamateriales y metasuperficies para construir el túnel experimentalmente, de modo que el campo magnético de una fuente, tal como un imán o un electroimán, aparece en el otro extremo del agujero de gusano como un monopolo magnético aislado. Este resultado es bastante extraño en sí mismo, ya que los monopolos magnéticos —imanes con un solo polo, ya sea al norte o al sur— no existen en la naturaleza.

El efecto general es el de un campo magnético que parece viajar de un punto a otro a través de una dimensión que se encuentra fuera de las tres dimensiones convencionales.

El agujero de gusano en este experimento es una esfera de diferentes capas: una capa externa con una superficie ferromagnética, una segunda capa interior, hecha de material superconductor, y una hoja ferromagnética enrollada en un cilindro que atraviesa la esfera de un extremo al otro. La esfera está hecha de tal manera que sea magnéticamente indetectable —invisible, en términos de campo magnético— desde el exterior.

El agujero de gusano magnético es una análogo de los gravitacionales, ya que «cambia la topología del espacio, como si la región interna hubiese sidoborrada magnéticamente del espacio», explica Àlvar Sánchez, investigador principal.

 

 

Estos mismos investigadores ya habían construido una fibra magnética en 2014: un dispositivo capaz de transportar el campo magnético de un extremo al otro. Sin embargo, esta fibra era detectable magnéticamente. El agujero de gusano desarrollado ahora, sin embargo, es un dispositivo completamente tridimensional que es indetectable por cualquier campo magnético.

Esto significa un paso adelante hacia posibles aplicaciones en las que se utilicen campos magnéticos: en medicina, por ejemplo. Esta tecnología podría, por ejemplo, aumentar el confort de los pacientes alejándolos de los detectores al otenerse imágenes por resonancia magnética en el hospital, o permitir que se obtengan de forma simultánea imágenes de resonancia magnética de diferentes partes del cuerpo.

Fuente: From Quasars to Quarks. Aportado por Eduardo J. Carletti

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