Haces de luz entrelazados parecen alcanzar velocidades imposibles

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Paul Lett y sus colegas del Instituto Joint Quantum, de la Universidad de Maryland (EE.UU.), se especializan en la producción de rayos modulados de luz para codificar información. No han encontrado una manera de mover los datos más rápido que c, la velocidad de la luz en el vacío, pero en un nuevo experimento han visto cómo la luz que viaja a través de los llamados materiales de luz rápida parecen avanzar más rápido que c, al menos en un sentido limitado. Sus resultados han sido publicados en la revista Nature Photonics.

Para ver cómo la luz puede ser manipulada de esta manera hace falta una mirada a varios conceptos clave, tales como el entrelazamiento, la información mutua y la dispersión anómala.

Entrelazamiento variable continuo

Muchas investigaciones del Joint Quantum Institute (JQI) están dedicadas al procesamiento de información cuántica, la información codificada en forma de qubits. Los qubits son sistemas cuánticos pequeños -a veces electrones atrapados en un semiconductor, a veces átomos o iones reteneidos en una trampa- mantenidos en una superposición de estados.

La utilidad de los qubits aumenta cuando dos o más de ellos son vinculados entre sí en una disposición cuántica más grande, un proceso conocido como entrelazamiento. Dos fotones entrelazados no son realmente partículas soberanas sino partes de una sola entidad cuántica.

La base del entrelazamiento es a menudo una variable discreta, como el spin del electrón (cuyo valor puede ser arriba o abajo) o la polarización de fotones (por ejemplo, horizontal o vertical). La esencia del entrelazamiento es la siguiente: mientras que la polarización de cada fotón es indeterminada hasta que se toma una medida, una vez que se mide la polarización de uno de los dos fotones entrelazados, se conoce automáticamente la polarización del otro fotón.

Pero el modo de entrelazamiento también puede ser ejercido por una variable continua. En el laboratorio de Lett, por ejemplo, dos haces de luz enteros pueden entrelazarse. Aquí la variable operativa no es la polarización, sino la fase (en qué posición del ciclo de la onda están) o la intensidad (la cantidad de fotones que hay en el haz). Para un haz de luz, la fase y la intensidad no son discretos (arriba o abajo), sino que varían de forma continua.

Información cuántica mutua

Los biólogos, examinando hebras descosidas de ADN, pueden (gracias a la naturaleza correlacionada de los ácidos nucleicos que las forman) deducir la secuencia de bases de una cadena mediante el examen de la secuencia de la otra cadena. Lo mismo ocurre con los haces entrelazados. Una ligera fluctuación de la intensidad instantánea de un haz (tales fluctuaciones son inevitables debido al principio de incertidumbre de Heisenberg) será imitada por una fluctuación similar en el otro haz.

Lett y sus colegas consiguen haces entrelazados en un proceso llamado mezcla de cuatro ondas. Un haz láser (haz de bombeo) entra en una célula llena de vapor. Ahí, dos fotones del haz de bombeo se convierten en dos fotones hijos que siguen adelante, con diferentes energías y direcciones.

Estos fotones constituyen haces por sí mismos, uno llamado el haz de sondeo, el otro llamado el haz conjugado. Ambos haces son demasiado débiles para ser medidos directamente. En vez de eso, cada haz entra en un divisor de haz (disco amarillo en la imagen), donde su luz se puede combinar con la luz de un oscilador local (que también sirve como referencia de fase). Los patrones de interferencia resultantes proporcionan la fase agregada o la información de intensidad de los dos haces.

Cuando el entrelazamiento de haces es perfecto, la correlación mutua es 1. Cuando estudiar las fluctuaciones de intensidad de un haz no dice nada acerca de las del otro, entonces la correlación mutua es 0.

Material de 'luz rápida'

En un famoso experimento, Isaac Newton mostró cómo la luz solar entrante se partía en un espectro de colores cuando pasaba a través de un prisma. El grado de dispersión dependiente de la longitud de onda de un material, que es la que provoca esta división de colores, se conoce como su índice de refracción.

En la mayoría de los materiales el índice es mayor que 1. Para el cristal de una ventana normal, es de aproximadamente 1,4; para el agua es 1,33 para la luz visible, y aumenta gradualmente a medida que la frecuencia de la luz crece. A una frecuencia mucho más alta (equivalente a una longitud de onda más corta), sin embargo, el índice puede cambiar su valor bruscamente, pero hacia abajo (es decir, provocando que la luz vaya más rápido).

Para el vidrio, eso se produce en longitudes de onda ultravioletas, por lo que no normalmente no se ve ese efecto de "dispersión anómala". En un vapor caliente de átomos de rubidio, sin embargo, y especialmente cuando se modifica con luz láser, el efecto puede ocurrir en longitudes de onda infrarrojas, y aquí es donde se fija el experimento de JQI.

En la figura se puede observar que el haz conjugado es enviado a través de una segunda célula, llena de vapor de rubidio. Aquí el haz sufre dispersión. El experimento JQI pretende estudiar cómo se mantiene el entrelazamiento de esta viga conjugada con el haz de sondeo (que no está sujeto a ninguna dispersión).

Cuando la refracción es "normal " -es decir , cuando el índice de refracción provoca dispersión ordinaria- la señal de luz se hace más lenta en comparación con el haz que no sufre dispersión. En estas condiciones, la célula se conoce como material "de luz lenta". Cuando, sin embargo, la frecuencia es la adecuada, el haz conjugado sufre la dispersión anómala. Cuando los diferentes componentes de frecuencia que constituyen un pulso o fluctuación de intensidad se reformulan a sí mismos a medida que emergen de la célula, estarán sólo un poco por delante de un pulso que no haya pasado a través de la célula. (Para realizar una medición apropiada del retardo se necesitan dos haces entrelazados: haces cuyas fluctuaciones estén relacionadas.)

Causalidad

Los investigadores de JQI no están diciendo que haya alguna información que viaje más rápido que c. La figura muestra que el pico de la información mutua para el material de luz rápida está, en efecto, por delante de los picos comparables para un haz no dispersado o para un haz que emerge de un material de luz lenta. Resulta que el coste de lograr la dispersión anómala es que se necesita una ganancia adicional (amplificación), y eso crea ruido en la señal.

Esta limitación inherente a la extracción de información útil a partir de un haz de luz entrante es aún más pronunciada con haces que contienen (en promedio) uno o menos-de-un fotón. Dichos haces diluidos son deseables en muchos experimentos cuánticos donde es importante el control de medición o el almacenamiento o el retraso de la información cuántica.

"Hicimos estos experimentos no para intentar violar la causalidad", explica Paul Lett en la nota de prensa recogida por EurekAlert!, "sino porque queríamos ver la manera básica en que el ruido cuántico "fuerza" la causalidad, y trabajar cerca de los límites del ruido cuántico también nos permite examinar las diferencias en cierto modo sorprendentes entre los materiales de luz lenta y los de luz rápida cuando se trata de transportar información."

Referencia bibliográfica:

Jeremy B. Clark, Ryan T. Glasser, Quentin Glorieux, Ulrich Vogl, Tian Li, Kevin M. Jones, Paul D. Lett. Quantum mutual information of an entangled state propagating through a fast-light medium. Nature Photonics (2014). DOI: 10.1038/nphoton.2014.112