Hasta hace muy poco, se creía que era imposible crear un holograma de un solo fotón debido a las leyes fundamentales de la física. Sin embargo, los científicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia han aplicado con éxito los conceptos de la holografía clásica al mundo cuánticofenómenos: una nueva técnica de medición les ha permitido registrar el primer holograma de una sola partícula de luz, arrojando así una nueva luz sobre los fundamentos de la mecánica cuántica.
Los científicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia han creado el primer holograma de una sola partícula de luz. El experimento espectacular, publicado en la revista Fotónica de la naturaleza , fue realizado por el Dr. Radoslaw Chrapkiewicz y Michal Jachura bajo la supervisión del Dr. Wojciech Wasilewski y el Prof. Konrad Banaszek. Su registro exitoso del holograma de un solo fotón anuncia una nueva era en la holografía: la holografía cuántica, que prometeOfrecer una perspectiva completamente nueva sobre los fenómenos cuánticos.
"Realizamos un experimento relativamente simple para medir y ver algo increíblemente difícil de observar: la forma de los frentes de onda de un solo fotón", dice el Dr. Chrapkiewicz.
En la fotografía estándar, los puntos individuales de una imagen solo registran la intensidad de la luz. En la holografía clásica, el fenómeno de interferencia también registra la fase de las ondas de luz es la fase que transporta información sobre la profundidad de la imagen. Cuando un hologramase crea, una onda de luz bien descrita y sin perturbaciones onda de referencia se superpone con otra onda de la misma longitud de onda pero se refleja desde un objeto tridimensional los picos y valles de las dos ondas se desplazan en diferentes grados en diferentes puntos dela imagen. Esto produce interferencias y las diferencias de fase entre las dos ondas crean un patrón complejo de líneas. Dicho holograma se ilumina con un haz de luz de referencia para recrear la estructura espacial de los frentes de onda de la luz reflejada desde el objeto,y como tal su forma 3D.
Uno podría pensar que se observaría un mecanismo similar cuando el número de fotones que crean las dos ondas se redujera al mínimo, es decir, a un solo fotón de referencia y a un solo fotón reflejado por el objeto. Y, sin embargo, estaría equivocadoLa fase de fotones individuales continúa fluctuando, lo que hace imposible la interferencia clásica con otros fotones. Dado que los físicos de Varsovia se enfrentaban a una tarea aparentemente imposible, intentaron abordar el problema de manera diferente: en lugar de utilizar la interferencia clásica de las ondas electromagnéticas, intentaronregistrar la interferencia cuántica en la que interactúan las funciones de onda de los fotones.
La función de onda es un concepto fundamental en la mecánica cuántica y el núcleo de su ecuación más importante: la ecuación de Schrödinger. En manos de un físico experto, la función podría compararse con la masilla en manos de un escultor: cuando tiene una forma experta,puede usarse para 'moldear' un modelo de un sistema de partículas cuánticas.Los físicos siempre están tratando de aprender sobre la función de onda de una partícula en un sistema dado, ya que el cuadrado de su módulo representa la distribución de la probabilidad de encontrar la partículaen un estado particular, que es muy útil.
"Todo esto puede sonar bastante complicado, pero en la práctica nuestro experimento es simple en su núcleo: en lugar de mirar la intensidad de la luz cambiante, observamos la probabilidad cambiante de registrar pares de fotones después de la interferencia cuántica", explica el estudiante de doctorado Jachura.
¿Por qué pares de fotones? Hace un año, Chrapkiewicz y Jachura usaron una cámara innovadora construida en la Universidad de Varsovia para filmar el comportamiento de pares de fotones distinguibles y no distinguibles que entran en un divisor de haz. Cuando los fotones son distinguibles, su comportamientoen el divisor de haz es aleatorio: uno o ambos fotones pueden transmitirse o reflejarse. Los fotones no distinguibles exhiben interferencia cuántica, lo que altera su comportamiento: se unen en pares y siempre se transmiten o reflejan juntos. Esto se conoce como interferencia de dos fotoneso el efecto Hong-Ou-Mandel.
"Después de este experimento, nos inspiramos a preguntarnos si la interferencia cuántica de dos fotones podría usarse de manera similar a la interferencia clásica en la holografía para utilizar fotones de estado conocido para obtener más información sobre fotones de estado desconocido. Nuestro análisis nos llevó aUna conclusión sorprendente: resultó que cuando dos fotones exhiben interferencia cuántica, el curso de esta interferencia depende de la forma de sus frentes de onda ", dice el Dr. Chrapkiewicz.
La interferencia cuántica se puede observar registrando pares de fotones. El experimento debe repetirse varias veces, siempre con dos fotones con propiedades idénticas. Para cumplir con estas condiciones, cada experimento comenzó con un par de fotones con frentes de onda planos y polarizaciones perpendiculares;Esto significa que el campo eléctrico de cada fotón vibró en un solo plano, y estos planos eran perpendiculares para los dos fotones. La polarización diferente hizo posible separar los fotones en un cristal y hacer que uno de ellos sea "desconocido" al curvar susfrentes de onda con una lente cilíndrica. Una vez que los fotones fueron reflejados por los espejos, fueron dirigidos hacia el divisor del haz un cristal de calcita. El divisor no cambió la dirección de los fotones polarizados verticalmente, pero sí divergió los fotones polarizados horizontalmente.Para hacer que cada dirección sea igualmente probable y para asegurarse de que el cristal actuó como un divisor de haz, los planos de polarización de los fotones se doblaron45 grados antes de que los fotones entraran en el divisor.Los fotones se registraron utilizando la cámara de última generación diseñada para los experimentos anteriores.Al repetir las mediciones varias veces, los investigadores obtuvieron una imagen de interferencia correspondiente al holograma del fotón desconocido visto desde un único punto en el espacio.La imagen se utilizó para reconstruir completamente la amplitud y la fase de la función de onda del fotón desconocido.
El experimento realizado por los físicos de Varsovia es un paso importante para mejorar nuestra comprensión de los principios fundamentales de la mecánica cuántica. Hasta ahora, no ha habido un método experimental simple para obtener información sobre la fase de la función de onda de un fotón. Aunque cuánticala mecánica tiene muchas aplicaciones, y se ha verificado muchas veces con un alto grado de precisión durante el siglo pasado, todavía no podemos explicar qué son realmente las funciones de onda: ¿son simplemente una herramienta matemática útil o son algo real?
"Nuestro experimento es uno de los primeros que nos permite observar directamente uno de los parámetros fundamentales de la función de onda del fotón, su fase, acercándonos un paso más a comprender cuál es realmente la función de onda", explica Jachura.
Los físicos de Varsovia utilizaron la holografía cuántica para reconstruir la función de onda de un fotón individual. Los investigadores esperan que en el futuro puedan utilizar un método similar para recrear funciones de onda de objetos cuánticos más complejos, como ciertos átomos. Holografía cuántica¿encuentra aplicaciones más allá del laboratorio en un grado similar al de la holografía clásica, que se usa habitualmente en seguridad los hologramas son difíciles de falsificar, entretenimiento, transporte en escáneres que miden las dimensiones de la carga, imágenes microscópicas y almacenamiento óptico de datos y tecnologías de procesamiento?
"Es difícil responder a esta pregunta hoy. Todos nosotros, quiero decir físicos, primero debemos entender esta nueva herramienta. Es probable que las aplicaciones reales de la holografía cuántica no aparezcan por algunas décadas todavía, perosi hay algo de lo que podemos estar seguros es de que serán sorprendentes ", resume el profesor Banaszek.
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Materiales proporcionado por Facultad de Física Universidad de Varsovia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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