Filmada por primera vez la vida y muerte de un fotón

Tras quince años de esfuerzos, un equipo de físicos del Laboratoire Kastler-Brossel de la École Normale Supérieure de París ha conseguido una auténtica proeza: medir el estado de un fotón, o partícula cuántica de la luz, sin destruirlo.

Uno de los artífices de este logro científico, el profesor Serge Haroche, de dicha escuela, explicó el pasado 10 de mayo en la Fondation Del Duca, del Insitut de France, cómo él y sus colaboradores, Jean-Michel Raimond y Michel Brune, entre otros, manipularon y controlaron un solo átomo y fotones individuales que interactuaron en una cavidad, que consistía en una caja formada por paredes altamente reflectantes.

Los sistemas cuánticos microscópicos tienen la característica de “saltar” de un estado cuántico a otro de una forma que aún no ha sido del todo comprendida por su rareza y aparente falta de lógica. Los físicos, sin embargo, habían conseguido hasta el momento detectar los saltos cuánticos de átomos, electrones, iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) y otras partículas, pero no habían podido “ver” los fotones, que normalmente son destruidos cuando llegan a ser detectados.

Ahora, gracias a una elaborada técnica, descrita en la revista Nature, un único fotón ha podido ser atrapado dentro de una cavidad superconductora para observar, en tiempo real, su nacimiento, su vida y su muerte durante un intervalo de tiempo de segundos.

Electrodinámica cuántica en cavidades

La proeza se ha basado en la llamada electrodinámica cuántica en cavidades, que es un campo de la óptica cuántica que permite instalar en cavidades pequeñas los átomos y los fotones, que en estas condiciones muestran un comportamiento distinto del que ofrecen en el espacio libre, ilustrando, en tal caso, ciertos principios de la física cuántica que permitirán el desarrollo de nuevos sensores, entre otras aplicaciones.

Estudiando el comportamiento de estos átomos y fotones en este entorno protegido, los físicos han podido ilustrar aspectos fundamentales de la teoría cuántica, como la superposición, la complementariedad y la decoherencia, informa la revista IOP, del Instituto de Física.

La superposición cuántica es la aplicación del llamado principio de superposición a la mecánica cuántica, y ocurre cuando un objeto posee simultáneamente dos o más valores de una cantidad observable, como la posición o la energía de una partícula. Este fenómeno fue representado por el físico Erwin Schrödinger en 1935 con el bien conocido ejemplo del gato de Schrödinger.

El principio de complementariedad, por su parte, supone que los sistemas cuánticos muestran características y propiedades “complementarias” que no pueden determinarse de manera simultánea (por ejemplo: el carácter onda-partícula, o la pareja de magnitudes posición-velocidad). Y, por último, la decoherencia sería la consecuencia inevitable del enredo incontrolable que tienen todos los sistemas físicos con su ambiente, tal y como explicó Dieter Zeh en una entrevista concedida a Tendencias21.

Fotones elusivos

Un fotón generalmente no es observable porque desaparece cuando se encuentra. El ojo, como la mayoría de los receptores de luz (denominados fotorreceptores electrónicos), absorben irremisiblemente los fotones que detecta y, por tanto, la información que porta la luz es destruida a medida que ésta se registra.

Por tanto, al intentar observarlos, estos fotones se “escapan”, de manera imprevisible y repentina, realizando un salto cuántico (es decir, cambiando de estado cuántico). Sin embargo, los científicos franceses han logrado, por vez primera, registrar en directo sus vidas, señala por su parte el CNRS (el Centre National de la Recherche Scientifique de Francia).

La clave de este experimento ha sido dicha cavidad, que está formada por dos espejos superconductores que fueron enfriados a una temperatura próxima al cero absoluto. Entre los espejos, situados uno frente a otro a una distancia de 2,7 centímetros, un fotón procedente de una radiación térmica residual rebotó más de un billón de veces antes de desaparecer, esto es, viajando una media del trayecto equivalente a la circunferencia de la Tierra.

Habitualmente, los fotones son detectados por absorción atómica. Un átomo puede existir en diversos estados de energía y puede absorber un fotón pasando así de un estado a otro de energía superior. Midiendo la variación de la energía de estos átomos que atraviesan la cavidad, se puede saber si contienen o no un fotón, pero se destruiría y no podría detectarse más que una vez.

Astucia y logros

La astucia de los investigadores ha sido elegir unos átomos cuya transición entre dos estados (0 y 1) energéticos se correspondían a una energía diferente de la de los fotones. La conservación de la energía es imposible cuando el átomo absorbe la luz. Por el contrario, la presencia del fotón modifica ligeramente la frecuencia de la transición atómica (medida con la ayuda de un campo de micro-ondas auxiliar presente en el exterior de la cavidad).

Por tanto, el átomo alcanza el estado 1 si la cavidad contiene un fotón y permanece en el estado 0 si ésta está vacía, como en el método clásico, pero en este caso la energía lumínica absorbida por el átomo es rastreada por dicho campo auxiliar en lugar de por la cavidad.

Así, los investigadores pudieron registrar numerosas secuencias de varios segundos durante las cuales los miles de átomos que atravesaron la cavidad fueron detectados en estado 0 (no habiendo absorbido fotones) ó 1 (habiéndolos absorbidos). Así pudieron saber cuándo un fotón había quedado atrapado entre los espejos, procedentes de la radiación térmica que hemos mencionado.

La permanencia de los fotones en la cavidad duraba una media de un décimo de segundo, pero en algunas secuencias el fotón sobrevivió más tiempo, incluso hasta medio segundo. Después, desaparecían repentinamente, dejando de nuevo vacía la cavidad.

Los momentos en que los fotones aparecían y desaparecían revelaron los saltos cuánticos de la luz que se producen por azar. Observando estos saltos durante varias horas, los investigadores consiguieron verificar de manera directa las propiedades estadísticas de las radiaciones térmicas establecidas hace un siglo por Planck y Einstein.

En el experimento, la información transportada por un cuanto de luz es transferida cientos de veces a un sistema material sin perderse. El mismo fotón controla el estado de un gran número de átomos, lo que supone un paso importante hacia el tratamiento cuántico de la información.

Información cuántica

Este logro aparentemente sencillo ha sido descrito por Le Figaro como “primicia mundial”. El haber podido observar el fotón y sus múltiples repeticiones antes de ser destruido abre posibilidades de aplicación para la fabricación de los futuros ordenadores cuánticos, que, gracias a la física cuántica, que permite a las partículas estar en dos sitios a la vez, posibilitarían cálculos mucho más complejos que los ordenadores actuales.

La presente investigación estaría relacionada con la física de la información cuántica, un nuevo dominio que se encuentra en la frontera de las ciencias de la información y de la física y que intenta utilizar la “lógica” del mundo cuántico para materializar tareas en comunicación y computación que los dispositivos clásicos no pueden realizar.

Tal y como explicó el professor Haroche en su conferencia, durante el siglo XX la física cuántica ha permitido desarrollar tecnologías que han cambiado nuestras vidas (como el ordenador o la resonancia magnética o láser, entre muchas otras). Pero este campo de la física sigue conteniendo aspectos que desafían al sentido común y que aún hoy continúan provocando una enorme inquietud en los especialistas.

Los resultados de este nuevo experimento implican la posibilidad de extraer repetidamente información del mismo fotón, lo cual es extremadamente importante puesto que la mayor parte de toda la información que obtenemos del universo procede de la luz. Un fotón podría compartir por tanto su información con un conjunto de átomos y conformar un “entrelazamiento cuántico” de luz o materia, señala Haroche.

El intento de controlar los sistemas cuánticos da lugar a importantes preguntas sobre la transición entre el comportamiento cuántico y el macroscópico de la materia y de la realidad pero, también, la oportunidad de generar dispositivos cuánticos de comunicación, aseguran los científicos.

El ordenador cuántico

Tal y como explica el CNRS, los ordenadores cuánticos utilizarían esta “lógica” cuántica para que cada unidad base (bit, 1 ó 0) de información se convirtiera en una superposición de dos estados (1 y 0 a la vez). Es la unidad de información que ya se denomina qubit (que se diferencia del bit clásico en que puede asumir el 1 y el 0, no únicamente el 1 ó 0. Un estado qubital es, pues, la superposición cuántica de esos dos estados).

Reunidos miles de qubits, éstos podrían comunicarse entre sí y realizar cálculos que actualmente realizan los ordenadores normales pero todos al mismo tiempo, lo que aumentaría la velocidad de cálculo de manera exponencial.

Hasta ahora, estos ordenadores no han pasado aún del terreno de lo teórico, pero ya hemos hablado en Tendencias21 de algunos intentos prometedores. La investigación actual, al aclarar aún más el funcionamiento de los estados cuánticos, da un paso adelante en su consecución.