duplicación de frecuencia

Una orquesta sin director: cada músico se afina con el vecino y así nace una melodía bien compenetrada. En el mundo de los imanes microscópicos, el papel de esa orquesta lo desempeña una diminuta esfera de neodimio que flota sobre una película superconductora.

Sobre la mesa hay un pastel de capas hecho con escamas de nitruro de boro hexagonal, un material parecido al grafito, pero formado por átomos de boro y de nitrógeno. Una de las escamas se transfiere con cuidado sobre otra y, en el punto donde se solapan, tras calentarlas en oxígeno nacen brillantes fuentes de luz individuales.

Una línea de montaje en una fábrica escupe piezas de una en una por ciclo. Si el ciclo es corto y hay pocos defectos, la línea va rápida. En óptica cuántica, el papel de esa línea lo desempeña una fuente de fotones individuales: debe emitir exactamente un cuanto de luz por cada ciclo, y cuanto más frecuentes sean los ciclos, más fotones viajan por la fibra óptica.

Un blanco de gas se parece a un embudo: cuanto más inclinadas son sus paredes, más fuerte es el flujo. Solo que en este embudo no fluye agua, sino luz ultravioleta, que nace cuando un potente pulso láser atraviesa una nube de argón.

Un espejo que vuela a casi cuarenta mil kilómetros por segundo. La luz que incide sobre él rebota, pero ya no es la misma: como una pelota que es devuelta por una raqueta en movimiento. Ese espejo es lo que los científicos han construido dentro de una finísima hebra de vidrio rellena de hidrógeno.

Por la fibra óptica los datos viajan a la velocidad de la luz, pero el camino no es perfecto: la señal se enturbia, como una voz en un pasillo largo. Cuanto mayor es la velocidad y la distancia, más fuertes son las distorsiones. Normalmente se corrigen con electrónica, pero esta no puede seguir el ritmo de la luz.

En una luz muy tenue, los fotones llegan uno a uno, como gotas de un grifo que gotea — nunca en pares. Este efecto, predicho por Roy Glauber y confirmado por Leonard Mandel, demuestra directamente que la luz está compuesta de partículas.

Dos nubes de átomos ultrafríos, casi inmóviles a temperaturas de unos pocos nanokelvins, se mezclan en una trampa. Una nube está formada por átomos ligeros, la otra por átomos pesados. Se empujan entre sí de manera diferente.

A la luz le gusta la simetría: en un canal abierto fluye igual en ambas direcciones. Para dirigirla hacia uno solo, los físicos suelen usar imanes. Un nuevo enfoque prescinde de ellos, empleando la rotación —a la velocidad de un disco de vinilo— y la interferencia de dos átomos.

La luz puede ser no solo un rayo, sino una regla de precisión extrema. Si tomamos destellos muy cortos —más cortos que un aleteo de mosca— y los emitimos uno tras otro, obtenemos un peine de frecuencias: un conjunto de colores separados por intervalos exactamente iguales, como los dientes de un peine.

Dos chorros paralelos de átomos, emitidos por condensados de Bose, inician su viaje en caída libre. En la imagen clásica, su separación permanece constante, como dos esquiadores deslizándose por una pendiente perfectamente lisa.

Una fila de soldados marcha por la plaza. Mientras todos mantienen el paso, el movimiento es nítido y coordinado. Pero si alguien se desfasa, la sincronía se pierde. En el mundo microscópico, los electrones desempeñan ese papel: cuando sus oscilaciones son sincrónicas, la sustancia emite una línea estrecha y aguda. En cuanto la sincronía se pierde, la línea se ensancha.

Dos músicos en habitaciones diferentes tocan la misma nota. El sonido debe ser tan idéntico que el oyente no pueda distinguir quién toca. En el mundo cuántico, el papel de esos músicos lo desempeñan las fuentes de fotones individuales: partículas de luz que deben ser indistinguibles entre sí.

La luz de una bombilla o incluso de un láser común se asemeja a una multitud a la salida del metro: la gente camina desordenadamente, a veces en tropel, a veces en solitario. Los físicos llaman a este comportamiento ruido de disparo: son las fluctuaciones aleatorias en el número de partículas que llegan por segundo.

Una hoja de papel casi no pesa nada, pero si apilas cien hojas, obtienes un bloque notable. Algo similar hicieron con un material que es excelente para convertir un color de luz en otro, pero solo cuando tiene el espesor de un átomo. Una sola capa es como una hoja: funciona de maravilla, pero es demasiado delgada para producir mucha luz.

En una habitación oscura, un láser infrarrojo emite un destello y un trozo de polvo negro de K3C60, por una fracción de segundo, comienza a conducir corriente sin resistencia. La luz incide a una frecuencia de 10 terahercios, mil veces más rápida que la de un microondas.

Los átomos en un haz viajan a diferentes velocidades, como corredores en un estadio. Un pulso láser ordinario empuja solo a aquellos que corren a una misma velocidad, pero el nuevo actúa como un entrenador que da órdenes a todo el grupo a la vez. Este enfoque involucra a más átomos en la medición.

Dos rayos láser de distinto color inciden sobre un cristal y, en su interior, de vez en cuando nacen tríos de partículas de luz, como tres monedas que caen de una misma ranura de una máquina expendedora. Por primera vez se ha logrado que este proceso sea suficientemente eficiente: por segundo se obtenían 11,6 tríos. Los rayos eran uno verde y otro infrarrojo invisible.

Un destello láser de 50 femtosegundos es como un disparo que dura una milmillonésima de segundo. En ese tiempo, la luz recorre solo 15 micrómetros, menos que el grosor de un cabello humano. Pero si ese destello se hace pasar por un amplificador, empieza a estirarse como una goma elástica y pierde su nitidez.

La luz en la fibra óptica es un flujo de fotones, y para la comunicación cuántica se necesitan fotones individuales que puedan enviarse uno a uno. Pero lograr que salgan rápidamente y además sean indistinguibles entre sí es una tarea difícil.

Un punto cuántico es como una lámpara individual que se enciende y se apaga a la orden de un láser, emitiendo exactamente un fotón a la vez. Pero esta luz tiene una peculiaridad: los fotones no se llevan bien entre sí, vuelan independientes, como gotas al azar de un grifo.

Un rayo láser en un cristal especial se convierte por sí solo en el «gato de Schrödinger», una mezcla de dos estados. Erwin Schrödinger ideó esta paradoja para un átomo, y ahora los físicos la observan en todo un flujo de fotones. La luz es como una compañía de soldados en la plaza de armas.

La luz ordinaria es como una multitud en una plaza: cada fotón se mueve por su cuenta, chocando y dispersándose. Pero en algunos medios, los fotones, como una jauría de perros, comienzan a correr juntos: se agrupan. Los científicos han creado un láser de fibra aleatoria donde las partículas de luz se reúnen en bandadas especialmente densas.

Los fotones entrelazados son como dos mensajeros que marchan al unísono: sus estados cuánticos, en particular la polarización, están sincronizados de tal manera que medir uno determina instantáneamente el estado del otro, incluso a distancia. En un material, esta sincronía se rompe.

Un punto cuántico del tamaño de un virus, aprisionado entre espejos, con un destello breve de luz engendra dos fotones. Estos fotones salen en pareja y sus polarizaciones —las direcciones de oscilación de las ondas— están ligadas de tal modo que, si conoces una, al instante sabes la otra.

Un diminuto puente de diamante vibra con tanta fuerza que empieza a 'cantar' en muchas frecuencias a la vez. Antes, estas oscilaciones se frenaban a sí mismas: cuanto más se balanceaba el resonador, más difícil era añadirle energía. Los físicos encontraron una grieta en esta regla. Usaron luz para hacer vibrar el diamante. La luz empuja el puente, y este comienza a temblar.

En una habitación oscura, un átomo y la luz quedan encerrados juntos en una cajita de espejos. La cajita es tan pequeña que el átomo no puede simplemente soltar la luz: intercambian energía constantemente, como dos bailarines que no se sueltan las manos.

El borde de un imán funciona como el puente de una guitarra: una cuerda presionada cerca del borde suena de manera diferente, con un conjunto más rico de armónicos. Algo similar ocurre con las ondas magnéticas en una fina cinta de níquel y hierro.

Un rayo láser golpea un cristal transparente y este responde con todo un arcoíris, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta invisible. No es un truco con espejos, sino el trabajo de un cristal no lineal: sabe sumar frecuencias de la luz, igual que un músico obtiene de una cuerda no solo el tono fundamental, sino también los armónicos.

Una lámpara común dispersa la luz en todas direcciones y es imposible predecir cuándo saldrá el siguiente fotón. Pero las tecnologías cuánticas necesitan un tipo de luz muy distinto: fotones individuales que aparecen estrictamente de uno en uno, como cartas que salen por la ranura del buzón.

La luz blanca ordinaria es una mezcla de todos los colores a la vez, como el ruido de una multitud donde cada persona habla en su propia frecuencia. Los científicos, en cambio, necesitan luz cuyas frecuencias estén alineadas con precisión, como las teclas de un piano, donde cada nota suena por separado y con exactitud.

Un trozo común de semiconductor cambia débilmente el color de la luz que lo atraviesa. Durante décadas, los físicos sortearon esta limitación colocando el cristal en un entorno ingenioso, pero el material en sí seguía siendo el mismo. Ahora, los investigadores han ensamblado un "sándwich" de capas delgadas alternadas de arseniuro de galio y arseniuro de aluminio y galio.

Cuando dos rayos de luz se encuentran en un cristal, pueden generar un tercer rayo con una frecuencia diferente. Para que este proceso sea eficiente, las ondas deben ir al mismo paso, como dos personas que caminan juntas sin desincronizarse. Antes se usaban dos trucos: o se elegía un cristal con las propiedades adecuadas, o se cortaba en capas finas.

Un láser de electrones libres convencional se parece a un instrumento musical con una sola cuerda: solo puede tocar una nota hasta que se modifica su construcción. Para obtener otra longitud de onda, hay que reajustar los imanes o acelerar los electrones con más fuerza. Eso es caro y voluminoso.

Un potente láser golpea el semiconductor, y este responde con luz en muchas frecuencias, como una cuerda que resuena con un coro de armónicos. Antes esto se usaba en espectroscopia para observar procesos ultrarrápidos.

Si la luz pudiera embotellarse, los científicos tendrían una cadena de montaje perfecta: una botella, exactamente un fotón, sin una gota de más. Estas partículas de luz individuales son necesarias para los ordenadores cuánticos y las comunicaciones seguras: transportan información que no puede ser espiada sin ser detectada.

La luz de una bombilla normalmente se dispersa en todas direcciones, y atraparla en varios canales en partes exactamente iguales es todo un rompecabezas. En el nuevo trabajo, la luz se divide en nueve haces idénticos sin una sola lente ni espejo. En su lugar, se usa una placa de vidrio con canales grabados que actúan como guías de onda, por los cuales la luz se distribuye de la manera deseada.

Un pulso láser incide en una diminuta cavidad de cristal transparente. En su interior, la luz rebota entre espejos y, a veces, un fotón se divide en un par: uno vuela hacia un lado y el otro hacia el otro. Uno de ellos se convierte en la señal, y el segundo actúa como un 'timbre' que avisa: el fotón individual está listo.

La luz infrarroja con una longitud de onda de unos tres micrómetros es el rango de trabajo para identificar moléculas: cada molécula absorbe la luz en sus frecuencias características, dejando una "huella dactilar".

La luz de una bombilla ordinaria es un flujo de fotones individuales, como gotas de un grifo. Pero existe luz donde los fotones viajan en parejas, como gemelos que caminan juntos. Esta luz agrupada se ha querido usar durante mucho tiempo para medir distancias y fotografiar objetos ocultos tras una esquina.