Una flauta de Hamelin cuántica que hace moverse juntos a los fotones

Por Redacción

Físicos de la Universidad de Chicago han inventado una «flauta cuántica» que, como la de Hamelín, puede obligar a las partículas de luz a moverse juntas de una forma que nunca antes se había visto.

Descrito en dos estudios publicados en Physical Review Letters y Nature Physics, el avance podría señalar el camino hacia la realización de memorias cuánticas o nuevas formas de corrección de errores en computadoras cuánticas y la observación de fenómenos cuánticos que no se pueden ver en la naturaleza.

El laboratorio del profesor David Schuster trabaja con bits cuánticos, el equivalente cuántico de un bit de computadora, que aprovechan las extrañas propiedades de las partículas a nivel atómico y subatómico para hacer cosas que de otro modo serían imposibles. En este experimento, estaban trabajando con partículas de luz, conocidas como fotones, en el espectro de microondas.

El sistema que idearon consiste en una cavidad larga hecha en un solo bloque de metal, diseñada para atrapar fotones en frecuencias de microondas. La cavidad se hace perforando orificios compensados, como los orificios de una flauta.

«Al igual que en el instrumento musical», dijo Schuster, «puedes enviar una o varias longitudes de onda de fotones a través de todo, y cada longitud de onda crea una ‘nota’ que puede usarse para codificar información cuántica». Luego, los investigadores pueden controlar las interacciones de las «notas» utilizando un bit cuántico maestro, un circuito eléctrico superconductor.

Pero su descubrimiento más extraño fue la forma en que los fotones se comportaban juntos.

En la naturaleza, los fotones casi nunca interactúan, simplemente pasan unos a través de otros. Con una preparación minuciosa, los científicos a veces pueden provocar que dos fotones reaccionen ante la presencia del otro.

«Aquí hacemos algo aún más extraño», dijo Schuster en un comunicado. «Al principio, los fotones no interactúan en absoluto, pero cuando la energía total en el sistema alcanza un punto de inflexión, de repente, todos están hablando entre sí».

Tener tantos fotones «hablando» entre sí en un experimento de laboratorio es extremadamente extraño, similar a ver a un gato caminando sobre las patas traseras.

«Normalmente, la mayoría de las interacciones de partículas son uno a uno: dos partículas que rebotan o se atraen entre sí», dijo Schuster. «Si agrega un tercero, por lo general todavía interactúan secuencialmente con uno u otro. Pero este sistema los tiene a todos interactuando al mismo tiempo».

Sus experimentos solo probaron hasta cinco «notas» a la vez, pero los científicos eventualmente podrían imaginarse ejecutando cientos o miles de notas a través de un solo qubit para controlarlas. Con una operación tan compleja como una computadora cuántica, los ingenieros quieren simplificar todo lo que puedan, dijo Schuster: «Si quisieras construir una computadora cuántica con 1,000 bits y pudieras controlarlos a todos a través de un solo bit, eso sería increíblemente valioso».

Los investigadores también están entusiasmados con el comportamiento en sí. Nadie ha observado nada parecido a estas interacciones en la naturaleza, por lo que los investigadores también esperan que el descubrimiento pueda ser útil para simular fenómenos físicos complejos que ni siquiera se pueden ver aquí en la Tierra, incluida quizás incluso parte de la física de los agujeros negros.

Más allá de eso, los experimentos son simplemente divertidos.
«Normalmente, las interacciones cuánticas tienen lugar en escalas de tiempo y duración demasiado pequeñas o rápidas para verlas. En nuestro sistema, podemos medir fotones individuales en cualquiera de nuestras notas y observar el efecto de la interacción a medida que ocurre. Es realmente muy bueno para ‘ver’ una interacción cuántica con su ojo», dijo el investigador postdoctoral de UChicago Srivatsan Chakram, coautor del artículo, ahora profesor asistente en la Universidad de Rutgers.

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