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Cómo detectar un fotón sin absorberlo

Área: Física — domingo, 17 de noviembre de 2013

Consiguen detectar fotones sin necesidad de absorberlos, lo que tiene implicaciones en computación y comunicaciones cuánticas.

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Para introducir este resultado, y no espantar al lector nada más empezar, quizás sea mejor comenzar con una historia de ciencia ficción.
Si queremos construir una máquina del tiempo para visitar los paisajes del Carbonífero la Naturaleza no nos dejará hacerlo. Parece ser que hay una flecha del tiempo, un sentido de avance, que nos impide retroceder en el tiempo, a nosotros o a cualquier otro ente. Si se pudiera siempre se puede incurrir en una paradoja. En el Carbonífero siempre podríamos matar a los vertebrados que estaban intentando evolucionar en tierra firme y con ello matar o alterar a todos nuestros antepasados.
Si sólo hay un Universo y una sola línea temporal, se cae entonces en una paradoja, pues si ya no hay humanos, ¿quién construye la máquina del tiempo para viajar al pasado?
Si aparece una paradoja entonces eso quiere decir que alguna de las premisas de partida es falsa. Puede, por ejemplo, que las máquinas del tiempo sean imposibles o que el libre albedrío no exista y todo esté escrito por siempre y para siempre, que no sea posible pisar una mariposa y distorsionar a partir de entonces todos los acontecimientos futuros. Si la pisamos es precisamente porque eso permite que nosotros construyamos la máquina del tiempo y hagamos precisamente eso.
El caso es que nada indica que la flecha del tiempo se pueda invertir. Ni siquiera la información puede viajar hacia el pasado, pues, por ejemplo, podríamos alertar a un ser querido de que no tome un avión que sabemos que se va estrellar. Mala suerte, la información viaja también según la fecha del tiempo.
Quizás para disfrutar del paisaje devónico no necesitemos ir allí, sólo necesitamos que la información de ese paisaje viaje según la flecha del tiempo hacia el futuro, hasta nosotros. Los fósiles o los estratos hacen eso mismo. Pero eso es porque la Naturaleza ya lo dispuso así en el pasado, algo sobre lo que no tenemos control alguno. Como en muchos casos no fue así, entonces siempre desconoceremos la existencia de seres del pasado que no dejaron ningún fósil.
Podemos caer en la tentación de construir una máquina del tiempo virtual que sólo nos permita ver el pasado. Algo que vaya al pasado y no tenga ninguna presencia física, pero que nos retransmita lo que ve. Pues tampoco puede ser. Para ver se necesita absorber fotones de luz, fotones que restas del pasado y ello provoca otro efecto mariposa que afecta el presente y aparecen de nuevo la paradoja.
La única manera seria mandar allí un algo que sea capaz de detectar los fotones sin absorberlos, pero, como eso se supone que no es posible, entonces nos quedamos sin ver el pasado.
Pues bien, en el presente ya se ha conseguido detectar fotones sin absorberlos. Obviamente esto no nos sirve para contemplar paisajes silúricos, pero sí tiene aplicaciones prácticas, como vamos a ver a continuación.
Un equipo de investigadores del Max Planck ha conseguido por primera vez construir un dispositivo basado en un resonador óptico que contiene sólo un átomo de rubidio en una superposición de estados. Un fotón, al reflejarse en el sistema, cambia la fase de la superposición de estados del átomo y esto es usado para medir el fotón, pero el fotón en sí no es alterado en el proceso, aunque parece que sí es afectada su dirección.
En los sistemas de comunicación clásicos de fibra óptica normalmente se necesita absorber un fotón para poder ser detectado y con ello saber la información que porta. Después se puede reconstruir otro haz distinto que porte la misma información. Este método se puede usar para amplificar. Pero si se quiere pasar a un sistema de comunicación cuántico habrá que hacer las cosas de otra manera.
En este experimento, el átomo de rubidio se mantiene en el centro de la cavidad en la que hay espejos paralelos separados 1 mm, haciendo que la cavidad actúe de trampa óptica tridimensional. Los estados superpuestos son dos estados fundamentales en los que cada uno de ellos está caracterizado por una energía de transición distinta hacia el siguiente estado excitado. Para uno de estos estados el fotón entrante no interacciona con el átomo y abandona la cavidad sin inmutarse. Para el otro caso el fotón interacciona con el átomo y es reflejado por uno de los espejos, ya que la cavidad y el átomo están acoplados. Pero el fotón no es absorbido y, por tanto, destruido. En este último caso queda una señal en el estado del átomo: un cambio de fase de π entre los dos estados superpuestos que puede ser leída con una técnica estándar. La energía del fotón y del átomo no cambian.
La eficiencia de todo el sistema no es muy alta, pues es del 75%, pero como prueba de concepto es suficiente. No obstante es mayor que los sistemas que destruyen los fotones, que es del 60%. No han alcanzado el límite fundamental debido ciertas imperfecciones, así que ese rendimiento se podrá mejorar.
Este nuevo resultado no sólo sirve para la ciencia básica, sino que tiene aplicaciones prácticas. Así por ejemplo, se incrementa grandemente las posibilidades de detección de fotones individuales. Se podría usar algo así en cascada, detectando el mismo fotón una y otra vez. Además esto sería importante en sistemas de comunicación cuánticos y en puertas lógicas en futuros computadores cuánticos. También tendría implicaciones para sistemas cuánticos cifrados.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.

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2 Comentarios

  1. lluís:

    En el denominado “efecto cuántico Zenon”, mediante mediciones instantáneas y continuadas de un sistema(un partícula,por ejemplo),parece ser que se consigue detener la evolución del sistema, o sea que si medimos repitadamente de manera instantánea, encontramos que la partícula no se ha desintegrado.Posiblemente esto no esté muy relacionado con ” la detección del mismo fotón, una y otra vez (¿se repitiría la história una otra vez, como en le película ” The groundhog day”-Atrapado en el tiempo-?),pero algo lo recuerda, y además hay estudios que dicen, que, ese efecto cuántico Zenon, también podría ser utilizado en computación cuántica,al poderse, igualmente, implemantar puertas lógicas.

  2. NeoFronteras:

    Efectivamente las medidas de ese tipo se introdujeron para la computación cuántica. La idea es hacer medidas para impedir que aparezca la decoherencia.
    Lo malo de la computación cuántica es que está más lejos que la fusión nuclear controlada, y ya es decir.

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