"Destilación" de luz
Un átomo en un resonador extrae fotones individuales muy puros de una luz láser débil.
7. Mayo 2019
Físicos cuánticos ahora pueden “destilar” luz. Cuando se destilan los licores, el contenido de alcohol aumenta en relación con el contenido de agua. Un método desarrollado por un equipo del Instituto Max Planck Institute de Óptica Cuántica en Garching funciona de manera similar con fotogramas de luz, fotones. Extrae fotones individuales de una fuente de luz, hace retroceder el vacío no deseado e informa este evento. Esos fotones individuales son importantes como bits cuánticos para la tecnología de información cuántica actual.
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De hecho, el proceso recuerda el principio detrás de la destilación del alcohol – a pesar de que el dispositivo ubicado en uno de los laboratorios del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica se ve completamente diferente del equipo utilizado en la destilación de aguardientes. El experimento de Garching aumenta la proporción de fotones individuales en relación con el vacío. Esta motivación suena extraña para el publico común, pero está directamente ligado al extraño mundo de la física cuántica. Las fuentes de luz débiles, que pueden emitir exactamente un fotón, desempeñan un papel central en la tecnología de información cuántica. Como bit cuántico, un fotón puede transportar la información cuántica elemental necesaria para las redes cuánticas, el cifrado cuántico y las computadoras cuánticas, al igual que la tecnología digital actual procesa bits individuales como portadores de información.
La construcción de fuentes de fotón único es un desafío que se ha investigado en todo el mundo durante muchos años. Parece sorprendente si pensamos que con sólo accionar el interruptor de la luz podemos iluminar una habitación. Sin embargo, esta luz de una lámpara corresponde a un flujo de enormes cantidades de fotones. Si atenuamos una fuente de luz a punto tal que solo fotones individuales pueden escapar de ella, uno se enfrenta a la incertidumbre del mundo cuántico: a veces no aparece nada, luego vienen dos o tres fotones, y así sucesivamente. Es un poco como el goteo en una destilación, donde no se puede predecir con certeza cuándo llegará la gota, y qué tan grande será.
La intención de los físicos del departamento de Gerhard Rempes en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica no fue desarrollar otra fuente de luz de un fotón. En cambio, su experimento puede extraer fotones individuales de luz de cualquier fuente muy débil, como un destilador, y reportar ese evento de manera confiable. De hecho, reduce la proporción de vacío puro en comparación con el evento de obtener un fotón. Una de las peculiaridades del mundo cuántico es que el vacío en sí mismo representa un estado cuántico. Si queremos preparar un fotón limpiamente, no hay que agregarle vacío. .
Con la nueva investigación del equipo de Rempes, aparecen dos desafíos. El primero es obtener exactamente un fotón, el segundo es detectarlo de manera confiable. Un átomo de rubidio resuelve ambas tareas en un solo paso. Este átomo está en una especie de gabinete de espejo. Más precisamente, está atrapado entre dos espejos casi perfectos uno frente al otro. La distancia de los espejos en este “resonador” corresponde precisamente al múltiplo de la mitad de la longitud de onda de la luz en la cual el átomo podría irradiar o registrar su propio fotón. En este sistema, el átomo puede moverse hacia adelante y hacia atrás como un puntero entre dos posiciones de visualización, lo que juega un papel muy importante.
