Registran en imágenes la decoherencia cuántica de fotones

Científicos del Laboratorio Kastler Brosser del CNRS francés han conseguido « fotografiar » fotones (partículas portadoras de todas las formas de radiación electromagnética, entre ellas la luz) deslizándose de un estado cuántico frágil a un estado estable clásico. De esta forma, la famosa paradoja del gato de Schrödinger, a escala microscópica, se ha podido registrar en imágenes.

En 1935, el físico Erwin Schrödinger trató de explicar la intricación cuántica y la superposición de estados con un experimento tan sencillo como inquietante: en una caja cerrada y opaca se mete un gato, una botella de gas venenoso, un átomo radioactivo con un 50% de probabilidades de desintegrarse y un dispositivo que, de desintegrarse la partícula, rompería la botella, produciendo la muerte del gato por envenenamiento.

Por tanto, el destino del gato dependía de un solo átomo que actuaría según la mecánica cuántica, por lo que todo el sistema estaría sometido a sus leyes. La llamada “interpretación de Copenhague” señala que estas leyes funcionan de la siguiente manera: mientras no abramos la caja, el gato está a un tiempo muerto y vivo y que sólo la acción de abrir la caja y observarlo reduce las probabilidades a una de ellas.

Siguiendo la evolución del gato

El rato en que el gato puede estar vivo o muerto es lo que se denomina una “superposición de estados” o superposición cuántica. Se trata de un estado evidentemente paradójico, pero que refleja el funcionamiento de la materia a escala subatómica.

Esta paradoja se resuelve en parte gracias a la teoría de la decoherencia cuántica, de la que ya hemos hablado en Tendencias21, que señala que el proceso físico conocido como "reducción del paquete de ondas", es decir, el proceso que reduce la superposición de estados de probabilidad concretando uno de ellos en el universo macrofísico en el que desenvolvemos nuestra existencia cotidiana (el gato está vivo o muerto), se produce por la interacción de los sistemas macroscópicos con su propio entorno.

Ahora, la decoherencia cuántica ha podido por fin ser registrada. Este registro permitió ver cómo los fotones analizados pasaban de un estado cuántico de superposición a un estado estable, siguiendo etapas intermedias. Es decir, siguiendo el ejemplo de Schrödinger, es como si se hubiera fotografiado el proceso mediante el cual el gato aparece vivo o muerto.

Según explicaron los científicos en Nature, en dicho registro se obtuvieron imágenes de estados coherentes, de estados de Fock (cualquier estado del espacio de Fock con un número bien definido de partículas en cada estado), y de estados de “gato de Schrödinger”.

Gráfico de los momentos sucesivos

Los investigadores escribieron asimismo en Nature que anteriormente se había podido hacer este mismo registro con átomos, electrones, iones y otras partículas, pero no habían podido “ver” los fotones, que normalmente son destruidos cuando llegan a ser detectados.

Atraparlos para su estudio ha supuesto un auténtico desafío porque las cavidades necesarias para el experimento deben almacenar la luz durante el tiempo suficiente para registrar la evolución de los fotones.

Una vez conseguida la cavidad necesaria, los científicos siguieron la evolución de la decoherencia cuántica reconstruyendo las tomas instantáneas de los estados de “gato de Schrödinger” en momentos sucesivos. Según los investigadores, este procedimiento de reconstrucción será una herramienta útil para posteriores estudios de la decoherencia cuántica.

El Laboratorio Kastler Brosser, por su parte, explica en un comunicado, que la cavidad en la que se atraparon los fotones durante un tiempo lo suficientemente largo como para observar su evolución es una cavidad de microondas. Dicha evaluación fue representada por gráficos en relieve. Cada punto de estos gráficos había sido asociado a un valor de la amplitud y la fase del campo electromagnético estudiado.

Hacia el ordenador cuántico

Los estados cuánticos de “gato de Schrödinger” fueron descritos por gráficos que revelaron la fragilidad de los estados no clásicos, que son rápidamente traídos de vuelta a los estados clásicos o coherentes.

La posibilidad de registrar este fenómeno de la decoherencia resulta esencial para la comprensión de la transición entre la física cuántica y la física clásica. Según los científicos, de hecho este experimento abriría la puerta a la manipulación y el control de la decoherencia.

Observar este fenómeno en directo permitiría, además, poner en marcha procedimientos de “retro-acción cuántica” en los que los átomos serán utilizados para restablecer las oscilaciones cuánticas del gráfico del campo, y así preservar sus propiedades cuánticas, importantes para la realización de operaciones de información cuántica.

En otras palabras, el método permitirá conservar durante más tiempo las propiedades cuánticas de la luz, lo que supone un paso adelante en el futuro desarrollo de los ordenadores cuánticos.

Antecedentes

El año pasado informamos ya en Tendencias21 del logro, por parte de este mismo laboratorio, de la filmación por primera vez de la vida y muerte de un fotón. Entonces, se consiguió, tras quince años de esfuerzo, medir el estado de un fotón sin destruirlo.

Gracias a una elaborada técnica, los científicos atraparon un único fotón dentro de una cavidad superconductora para observar, en tiempo real, su nacimiento, vida y muerte durante un intervalo de tiempo de segundos.

Este experimento abrió entonces la posibilidad de extraer repetidamente información del mismo fotón, que de esta forma podría compartir su información con un conjunto de átomos y conformar un “entrelazamiento cuántico” de luz o materia, básico para la fabricación de los ordenadores cuánticos.