Las partículas a veces pueden actuar como ondas, y los fotones partículas de luz no son una excepción. Así como las ondas crean un patrón de interferencia, como ondas en un estanque, también lo hacen los fotones. Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NISTy sus colegas han logrado una nueva hazaña importante: crear una extraña interferencia "cuántica" entre dos fotones de colores marcadamente diferentes, procedentes de diferentes edificios en el campus de la Universidad de Maryland.
El experimento es un paso importante para las comunicaciones cuánticas futuras y la computación cuántica, que podría hacer cosas que las computadoras clásicas no pueden, como romper potentes códigos de cifrado y simular el comportamiento de nuevos fármacos complejos en el cuerpo. La interferencia entre doslos fotones podrían conectar procesadores cuánticos distantes, permitiendo una red informática cuántica similar a internet.
Es importante usar fotones que originalmente tenían diferentes colores longitudes de onda porque imita la forma en que funcionaría una computadora cuántica. Por ejemplo, los fotones de luz visible pueden interactuar con átomos atrapados, iones u otros sistemas que sirven como versiones cuánticas de la memoria de la computadoramientras que los fotones de mayor longitud de onda infrarrojo cercano pueden propagarse a largas distancias a través de fibras ópticas.
Así como las computadoras clásicas necesitaban formas confiables para transmitir, almacenar y procesar electrones antes de que la computación compleja en red fuera posible, el resultado del NIST hace que el intercambio de información de computación cuántica sea un paso importante más cerca de la realidad.
En su estudio, una colaboración entre el NIST y el Laboratorio de Investigación del Ejército, físicos e ingenieros en edificios adyacentes de la Universidad de Maryland crearon dos fuentes diferentes y separadas de fotones individuales. En un edificio, se impulsó a un grupo de átomos de rubidio a emitirfotones individuales con una longitud de onda de 780 nanómetros, en el extremo rojo del espectro de luz visible. En el otro edificio, a 150 metros de distancia, se indujo un ion atrapado de bario para emitir fotones con una longitud de onda de 493 nanómetros, casi el 40 por cientomás corto: hacia el extremo azul del espectro.
Luego, los investigadores tuvieron que hacer que los fotones azules mataran a los rojos para los rojos. Para hacer esto, Alexander Craddock, Trey Porto y Steven Rolston del Joint Quantum Institute, una asociación entre el NIST y la Universidad de Maryland, y sus colegas mezclaronlos fotones azules con luz infrarroja en un cristal especial. El cristal usó la luz infrarroja para convertir los fotones azules en una longitud de onda que coincida con los rojos en el otro edificio, conservando sus propiedades originales. Solo entonces el equipo envió los fotones a través de unFibra óptica de 150 metros para encontrarse con los fotones rojos casi idénticos en el otro edificio.
Los fotones eran tan similares que no era posible distinguirlos en la configuración experimental. Los fotones individuales normalmente actúan independientemente uno del otro. Pero debido a la naturaleza cuántica peculiar de la luz, cuando dos fotones indistinguibles interfieren entre sí, suslos caminos pueden correlacionarse o depender unos de otros. Dicha correlación cuántica puede usarse como una herramienta poderosa para la computación.
Efectivamente, los investigadores observaron esta correlación cuando los pares de fotones producidos por separado se cruzan. Los pares de fotones pasan a través de un componente óptico conocido como divisor de haz, que podría enviarlos en una de dos rutas. Actuando solo, cada fotón funcionaríaes algo propio y tendría una probabilidad de 50-50 de atravesar cualquier camino. Pero los dos fotones indistinguibles se superponen como ondas. Debido a su extraña interferencia cuántica, se mantuvieron juntos y siempre siguieron el mismo camino. Uniéndose a estos fotones una vez independientesen la cadera, este efecto de interferencia puede realizar muchas tareas útiles en el procesamiento de la información cuántica.
Los investigadores informaron sus hallazgos en línea en un número reciente de Cartas de revisión física .
Una conexión directa a la computación cuántica vendría si el patrón de interferencia está vinculado a otra extraña propiedad de la mecánica cuántica conocida como entrelazamiento. Este fenómeno ocurre cuando dos o más fotones u otras partículas se preparan de tal manera que la medición de un determinadopropiedad, por ejemplo, el impulso, de uno determina automáticamente la misma propiedad del otro, incluso si las partículas están muy separadas. El enredo se encuentra en el corazón de muchos esquemas de información cuántica, incluida la computación cuántica y el cifrado.
En el experimento del equipo, los dos fotones no se enredaron con los sistemas que los generaron. Pero en futuros estudios, dijo Porto, debería ser relativamente fácil enredar los fotones rojos con el grupo de átomos de rubidio que lo produjeron. Del mismo modo,los fotones azules podrían enredarse con el ion atrapado que los produjo. Cuando los dos fotones interfieren, esa conexión transferiría el enredo entre los átomos rojos de fotón-rubidio y el ion fotón azul para convertirse en un enredo entre los átomos de rubidio y el ion atrapado.
Es esta transferencia de enredos, esta transferencia de información, lo que subyace en el poder potencialmente vasto de las computadoras cuánticas, señaló Porto.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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