Descubrimiento Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido

Comunicación cuántica: dos fotones de un electrón

Un electrón en la tunelización cuántica genera dos fotones con mayor frecuencia de lo que la teoría predice.

23. Mayo 2019

En el futuro, la física cuántica podría convertirse en garante de seguridad en tecnologías de la información. Partículas de luz individuales - los llamados fotones -  se utilizan para la transmisión segura de datos. Un descubrimiento realizado por físicos en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido podría ser muy útil en este aspecto. Los investigadores encontraron accidentalmente una fuente de luz que usa la energía de un electrón para crear un par de fotones. Una de estas partículas de luz podría funcionar como portadora de la información cuántica frágil, y  la otra como un mensajero que anuncia la partícula hermana.

Señales cuánticas controladas: cuando los electrones (azul claro) se canalizan desde la punta de un microscopio de exploración de túneles a una muestra, los pares de fotones (amarillo y rojo) se generan con más frecuencia de lo que se suponía anteriormente. Esto abre la posibilidad en la comunicación cuántica de transmitir información con un fotón mientras se verifica la transmisión con el otro. Aumentar imagen
Señales cuánticas controladas: cuando los electrones (azul claro) se canalizan desde la punta de un microscopio de exploración de túneles a una muestra, los pares de fotones (amarillo y rojo) se generan con más frecuencia de lo que se suponía anteriormente. Esto abre la posibilidad en la comunicación cuántica de transmitir información con un fotón mientras se verifica la transmisión con el otro. [menos]

Resulta difícil para un físico evaluar si un procedimiento para la transmisión de información cuántica funcionó según lo planeado. Esto se debe a que objetos cuánticos cambian su estado cuando se observan, es decir, cuando se miden. En la comunicación cuántica, esto dificulta el control de la información transmitida por fotones. Por un lado, cualquier contacto con el medio ambiente puede destruir la información cuántica transportada por fotones, y por otro lado, las fuentes de partículas de luz individuales a menudo producen fotones individuales de manera irregular. Entonces, ¿cómo se puede decir con certeza cuando un fotón está en camino, sin medirlo? Las parejas de fotones pueden resolver este problema: un fotón puede servir como mensajero de su mellizo.

Científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido han descubierto una fuente inesperada para tales pares de fotones: un microscopio de exploración de túneles. Con este instrumento, los investigadores suelen estudiar las superficies de materiales conductores o semiconductores. El principio de tal microscopio se basa en el efecto de tunelización cuántica. Este describe cómo los electrones tienen cierta probabilidad de atravesar una barrera que, según la física clásica, no podrían normalmente atravesar. En un microscopio de exploración de túneles, se aplica un voltaje desde una punta metálica haciendo que los electrones realicen un túnel de pequeña distancia hasta una muestra. Cuando un electrón pierde energía en este proceso de tunelización, se crea luz.

Es precisamente esa luz la que físicos de Stuttgart han estado investigando durante varios años. Al hacerlo, realizaron una observación sorprendente: durante la tunelización, además de las partículas de luz individuales , se forman pares de fotones, con una frecuencia  10.000 veces mayor a lo que la teoría predice. "La probabilidad de que se forme un par de fotones es tan pequeña en teoría que normalmente no se debería observar", explica el científico Christopher Leon. "Pero nuestro experimento muestra que los pares de fotones se producen con una frecuencia  mucho mayor. Eso fue una gran sorpresa para nosotros ".

Los físicos midieron los pares de fotones con la ayuda de dos detectores, con los que determinaron el intervalo de tiempo entre los fotones entrantes. "En el momento en que los dos fotones de un par se forman en la unión de túneles, se encuentran a menos de 50 trillonésimas de segundo de distancia", explica el científico principal Klaus Kuhnke. Aún no se puede decir si los fotones se producen simultáneamente o en rápida sucesión ya que la resolución de los detectores no es aún suficiente.

 

 
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