generación de fotones individuales anunciada

Un intérprete en una sala de audiencias debe transmitir cada palabra sin distraerse por el ruido ambiente. En el mundo cuántico, ese intérprete es un resonador superconductor que debe perder fotones siguiendo un horario estricto, sin desviarse por efectos extraños.

Bajo el microscopio electrónico, una proteína se ve como una serie de sombras borrosas: cientos de miles de imágenes de la misma molécula, pero desde ángulos distintos y con un fuerte ruido. Antes, a partir de esas sombras se armaba primero una 'neblina' tridimensional: un mapa de cómo se distribuye la carga eléctrica dentro de la proteína.

Capturar la luz partícula a partícula es como oír un susurro en una fábrica atronadora. Una cámara con multiplicación electrónica (EMCCD) hace precisamente eso: convierte un solo fotón que llega a un píxel en una avalancha de electrones que ya se puede medir.

En una fila apretada de átomos, separados por distancias menores que la longitud de onda de la luz, se esconde un estado asombroso. La excitación se reparte entre todas las partículas de tal manera que su radiación se anula a sí misma.

Una película delgada de disulfuro de molibdeno, de menos de una micra de espesor, funciona como una minifábrica de pares de fotones integrada directamente en un conector de fibra óptica. La fibra óptica común no es solo un hilo de vidrio para internet.

Dentro del modelo estándar, nuestra descripción más completa del mundo subatómico, la carga eléctrica siempre es un múltiplo de la carga del electrón: la naturaleza opera con unidades enteras, como un constructor que usa ladrillos de un tamaño estrictamente definido. Sin embargo, las ecuaciones permiten la existencia de partículas con doble carga: los bileptones.

El láser golpea un blanco de alambres delgados y, en decenas de femtosegundos (milmillonésimas de milmillonésima de segundo), arranca de ellos un flujo de protones. Estos protones entran en un convertidor de litio y deuterio, donde nacen los neutrones.

El diamante es el material natural más duro y normalmente no conduce la electricidad. Pero si se añaden algunos átomos extraños a su red cristalina, puede convertirse en un semiconductor, como el silicio de los chips de computadora.

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 bombilla que no ilumina con un flujo continuo, sino con gotas sueltas: fotones. Estas fuentes "de gotas" se llaman emisores individuales. Son necesarias para la comunicación cuántica, donde cada fotón lleva un bit de información, y para mediciones ultraprecisas.

En un enorme acelerador, las partículas chocan entre sí y, a veces, tras el impacto solo quedan dos fotones, las partículas de la luz. Los físicos saben predecir con qué frecuencia ocurre esto, pero sus cálculos no coincidían con lo que veían los detectores. Cada refinamiento de la teoría cambiaba la respuesta, y no había acuerdo.

La luz de estrellas lejanas viaja millones de años, pero los rayos X no se pueden capturar con vidrio ordinario: lo atraviesan como una bala atraviesa el papel. Por eso, los telescopios de rayos X necesitan lentes especiales: pilas de prismas diminutos que desvían suavemente los rayos y los concentran en un solo punto.

En el sistema binario Cygnus X-3, en nuestra Galaxia, un agujero negro y una estrella gigante giran tan cerca que la estrella pierde materia, arrastrada por un potente viento. De las cercanías del agujero negro surgen chorros; recientemente, un telescopio captó de ellos fotones que llevan cada uno la energía de un mosquito en vuelo.

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.

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.

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 incide sobre una película delgada y, al instante, se genera una corriente eléctrica. Así funciona un par de materiales: disulfuro de molibdeno y cobalto. El primero es un semiconductor; el segundo, un imán. Entre ellos, según se ha descubierto, nace una capa intermedia invisible.

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.

Un punto cuántico del tamaño de unos pocos miles de átomos parpadea como una bombilla defectuosa: a veces brilla intensamente, a veces casi se apaga. Antes se pensaba que en los momentos oscuros emitía no solo fotones individuales, sino también pares extra, lo cual es un defecto para la comunicación cuántica.

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.

Cuando un haz de luz atraviesa un trozo de vidrio, normalmente solo se desvía ligeramente. Pero si dentro del vidrio se graban con láser patrones finísimos, se puede hacer que la luz se descomponga en haces separados, como la luz blanca se dispersa en un arcoíris después de la lluvia.

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.

Una lámina ultrafina de semiconductor es como la película de una burbuja de jabón, pero hecha de átomos de tungsteno y selenio. Si la pinchas con una aguja de diamante afilada, en ese punto aparecen diminutos defectos.

Una impresora 3D normal extruye plástico como un pastelero que decora con manga pastelera. Aquí, en lugar de plástico, se usa luz. Un rayo láser dibuja en una resina líquida, haciendo que se endurezca en los puntos deseados. Así nacen piezas que no se pueden ver sin un microscopio.

La comunicación cuántica por satélite es como un saludo entre dos faros distantes: el haz debe dar exactamente en el detector, o el mensaje no se puede leer. Pero en el espacio todo tiembla: la luz solar calienta la carcasa, los motores producen vibraciones, y la delicada óptica se desalinea.

El haz de una linterna en la niebla dibuja un cono, pero no puede tallar una figurita en una nube. Una holografía es como una plantilla para la luz: sabe de antemano dónde concentrarse en puntos brillantes y dónde quedarse en sombra. Ahora, esa plantilla hace que la resina líquida se endurezca de una vez en todo el volumen, sin impresión capa a capa.

Una diminuta mota de plata nace en el haz de un láser y empieza a crecer de inmediato, más rápido que un parpadeo. Un microscopio normal no puede seguir ese ritmo, por lo que hasta ahora nadie había visto cómo aparece y crece una nanopartícula. Ahora los científicos tienen una herramienta que filma esta "película" fotograma a fotograma.

La luz de una lámpara común es un caos: los fotones salen disparados en todas direcciones, sin orden alguno. Pero si se consigue que muchos átomos emitan luz simultáneamente y al unísono, se obtiene un destello corto y potente, como los aplausos que de palmadas individuales se convierten en una salva única. Esta emisión coordinada se llama superradiancia.

La luz, al atravesar una placa con un patrón, se combina dentro de un líquido transparente formando un dibujo tridimensional. Donde la luz es más intensa, la resina se endurece. Tras 7,5 segundos, se extrae del líquido una pieza terminada, con cavidades, canales y diminutas protuberancias. Una impresora 3D normal imprime punto a punto o capa a capa.

Una gota de tinta cae en un vaso de agua y, en lugar de una mancha uniforme, nace un anillo que comienza a girar. Así es más o menos el nacimiento de un skyrmión: la luz emitida por una fuente diminuta se enrolla en un vórtice estable. Hasta ahora, estos vórtices solo se obtenían con láseres grandes.

Un láser común emite fotones de uno en uno, como un grifo que gotea. ¿Y si necesitas varias partículas de luz que nazcan en el mismo instante? Los físicos han logrado que una nube de átomos fríos de rubidio emita cuartetos de fotones, como si el grifo soltara cuatro gotas a la vez, cada una cayendo en su propio tubo de ensayo.

Crear luz con un número exacto de fotones es como acuñar justo 100 000 monedas sin defectos. Hasta ahora, los físicos solo podían controlar unas decenas de partículas. La tecnología de la «máquina óptica» rompe esa barrera: las lentes virtuales, como fresas en un torno, eliminan el «desenfoque» y garantizan que cada paquete contenga exactamente la cantidad deseada de fotones.

La idea de la teletransportación cuántica fue propuesta por Charles Bennett e implementada por Anton Zeilinger. Utiliza el entrelazamiento: cuando dos partículas están sincronizadas como dos hojas que copian instantáneamente un mismo dibujo. Pero antes la «tinta» se corría y el plano se estropeaba.

La comunicación cuántica habitual se parece al correo postal que envía cartas una por una. Si el camino es largo, hay que esperar una eternidad para recibir respuesta. Los físicos aceleraron el proceso lanzando diez «camiones postales» —pulsos de luz— a la vez por una fibra óptica, pero en diferentes ventanas temporales.

El láser dispara a una frecuencia de diez millones de veces por segundo, y cada disparo extrae de la película de poliestireno exactamente un fotón. Ni un haz, ni un grupo: una única partícula de luz, cuidadosamente empaquetada en el espacio y el tiempo.

Escalar un computador cuántico es como tejer una telaraña de luz: cada hilo tiembla con el aliento térmico, amenazando con romper el patrón apenas esbozado.