Contar la luz hasta diez mil exprés
Viertes agua en un vaso, pero quieres obtener exactamente un millón de gotas, no aproximadamente, sino exactamente. Un grifo normal vierte un chorro donde el número de gotas siempre varía. En el mundo cuántico, con los fotones pasa lo mismo: un láser emite luz donde la cantidad de partículas fluctúa como una multitud en una plaza. Y para muchas tareas, desde mediciones de ultra precisión hasta computadoras cuánticas, se necesitan estados con un número perfectamente definido de fotones, los llamados estados de Fock.
Antes se obtenían de dos maneras. La primera era esperar un evento aleatorio en el que el haz contuviera por casualidad el número deseado de fotones. La segunda era controlar astutamente el sistema, ajustando constantemente los parámetros. Ambos caminos son tediosos: o la probabilidad de éxito es mínima, o el control es terriblemente complejo. Los autores del nuevo trabajo propusieron un tercer camino: un protocolo de medición adaptativo. El sistema cuántico (luz en una cavidad) está acoplado a un diminuto sensor: un qubit auxiliar. Se realizan una serie de mediciones sobre el qubit, pero no idénticas, sino tales que el intervalo entre mediciones depende del resultado anterior. Esto se parece al juego de "caliente-frío": después de cada paso sabemos si estamos más cerca del objetivo y ajustamos el siguiente paso.
En los cálculos con el modelo de Jaynes-Cummings (luz interactuando con un qubit), un gran pulso coherente, en términos generales un rayo láser, casi con seguridad se convierte en un estado de Fock con diez mil fotones en solo diez rondas de mediciones. La fidelidad promedio es de alrededor del 87%. Si se necesita una precisión superior al 99%, con una probabilidad del 35% se puede obtener un estado con un número de fotones entre 20000 − √20000 y 20000 + √20000. Esto es un gran paso adelante en comparación con intentos anteriores.
El valor práctico es enorme. Los estados de Fock grandes son un recurso para la metrología cuántica: con ellos se pueden medir distancias, campos y fuerzas con una precisión inalcanzable en la física clásica. Y en la computación cuántica, estos estados sirven como portadores de información protegida contra errores. El nuevo protocolo no requiere equipos exóticos: basta con una cavidad, un qubit y mediciones estándar. Esto acerca el día en que los dispositivos cuánticos con estados de Fock macroscópicos se conviertan en una herramienta común.
Así, un rayo de luz, semejante a una multitud desordenada, se transforma en un puñado de arena donde cada grano ha sido contado uno por uno.
Para apreciar la diferencia: en un rayo láser brillante, el número de fotones por segundo es aproximadamente $10^{16}$, pero nunca se conoce con exactitud. Un estado de Fock con 10 000 fotones es como un puñado de arena donde cada grano ha sido contado individualmente.
En la novela "El cero y el infinito" de Arthur Koestler, los protagonistas intentan alcanzar el conocimiento absoluto pero se enfrentan a la incertidumbre. Aquí, en cambio, los científicos doman la incertidumbre, convirtiendo el mundo probabilístico de los fotones en un reino de números exactos.