conmutador óptico

El director alza la batuta y la orquesta no solo produce sonido, sino una partitura compleja: cada nota suena en su momento, con su altura y su volumen. La luz también puede ser una partitura si se controlan su espectro y su tiempo. Antes, esto requería montajes voluminosos que no podían reconfigurarse una vez construidos.

En un acuario del tamaño de una mesa de comedor, dos bancos de neones negros nadan en compartimentos adyacentes separados por una pared transparente. No pueden tocarse, pero ven cada movimiento. Y aquí está lo sorprendente: cuando un banco decide girar a la izquierda, el otro hace lo mismo un instante después. Como si dos péndulos colgados tras un cristal comenzaran a oscilar al unísono.

Una película de plástico del grosor de un cabello, y en su interior, puntos de platino de menos de una millonésima de milímetro. Estos puntos se sitúan en la frontera entre dos capas del transistor y atrapan la carga eléctrica como una esponja atrapa el agua. Cuando la carga se acumula, el transistor cambia su resistencia y recuerda ese estado.

Un haz de luz normalmente viaja en línea recta, pero se puede hacer que gire alrededor de su eje, como el agua que se arremolina al desaguar. Esta luz 'vortical' transporta más información y es necesaria para comunicaciones ultrarrápidas y computación cuántica. El problema es que antes se requerían grandes lentes, espejos y un ajuste preciso: toda una mesa óptica.

Una red aleatoria clásica se parece a un mapa de carreteras: para que cuatro ciudades se conecten en un cruce complejo, hay que tender muchas autopistas. En el mundo de las partículas cuánticas todo es distinto.

La luz que se aleja de un cuerpo masivo pierde fuerza. Su frecuencia disminuye ligeramente y el color se desplaza hacia el rojo. Los físicos llaman a esto corrimiento al rojo gravitacional. En la teoría clásica todo está claro, pero en cuanto hablamos de cuantos, empiezan las dificultades.

Las redes cuánticas del futuro recuerdan a la torre de Babel: cada nodo habla su propio dialecto. Unos almacenan la información en la polarización del fotón —la dirección de oscilación de la onda luminosa—. Otros, en bits temporales, es decir, en el momento exacto en que llega el pulso.

En una habitación con un rincón muerto, el sonido no llega. En la pared, un espejo inteligente: capta el sonido y lo redirige, haciendo audible lo oculto. Así funciona una superficie reflectante en las comunicaciones inalámbricas. Pero si la fuente está justo delante, el espejo solo crea eco.

Los sensores pasivos se comunican reflejando ondas de radio, como un eco. El ahorro de energía es evidente, pero muchas reflexiones se mezclan en una masa confusa. Esto recuerda a un coro donde cada cantante repite su parte sin director. El nuevo método asigna a cada sensor un ritmo particular: un código digital.

Un rayo de luz entra en un vidrio esmerilado y se apaga: algo común. Pero los físicos saben desde hace tiempo cómo hacer que la luz lo atraviese sin perder ni un fotón. Ese truco se llama transparencia inducida electromagnéticamente: dos ondas de luz se cancelan mutuamente en el punto adecuado y la absorción desaparece.

En lo profundo de un cristal de diamante, salpicado de centros NV, dormita una sinfonía. Cada defecto es como un diapasón, listo para resonar con una onda acústica que pasa. Pero por separado, sus voces son apenas audibles: la interacción entre el espín y el fonón es más débil que un susurro.

Tres cuerdas de guitarra en el mismo instrumento, pero las clavijas de cada una giran con distinta fuerza: una cede de inmediato, otra cuesta girarla y la tercera se atasca. Así es más o menos trabajar con puntos cuánticos de silicio: diminutas islas-cubits donde cada una requiere su propio «voltaje-clavija» para sonar bien.

Un transistor de efecto de campo común se parece a un grifo con una manija muy sensible: giras un poco y el agua fluye. En las frías profundidades de una computadora cuántica, donde todo se enfría casi hasta el cero absoluto, ese grifo debe abrirse estrictamente bajo comando.

La cámara de un móvil graba todo lo que ve, pero el ojo destaca al instante lo importante. La retina no solo envía la imagen al cerebro: en el propio ojo subraya contornos, elimina ruido sobrante y se ajusta al brillo. Los ingenieros llevan tiempo intentando replicar este truco en hardware 'inteligente' para que las cámaras gasten menos energía y decidan más rápido.

En una habitación oscura, una cuenta de vidrio del tamaño de una mota de polvo cuelga de un rayo láser. Debajo hay dos espejos: uno de aluminio y otro de plata. Si cerca pasan axiones —ligeras partículas invisibles que podrían constituir la misteriosa materia oscura—, estos intercambian axiones con los átomos de los espejos y la cuenta se desplaza ligeramente.

Un columpio puede balancearse con fuerza o apenas perceptiblemente. Por lo general, si no lo tocas, permanece en el modo elegido. Pero en el micromundo todo es diferente: una membrana diminuta que oscila bajo la acción de un rayo láser puede saltar espontáneamente de una amplitud a otra.

En el cristal de nitruro de boro, la red atómica perfecta a veces se rompe: en algún lugar falta un átomo, en otro lo reemplaza uno extraño. Bajo un potente microscopio, estas diminutas imperfecciones se ven como trampas para electrones: capturan partículas y comienzan a brillar, y además responden a un campo magnético.

La luz es un flujo de fotones. En una guía de luz especial, que recuerda a un estrecho pasillo, un átomo «guardián» normalmente los deja pasar uno a uno. Este fenómeno es estudiado por la espectroscopia de partículas individuales.

El átomo es como un director, y la luz en el resonador, una orquesta. El intercambio de energía entre ellos, conocido como interacción Jaynes-Cummings (parte del Modelo Estándar), permite que el átomo, con movimientos de 'batuta', cambie el ritmo y el timbre de las oscilaciones.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta en la que cada músico-cúbit debe tocar en un silencio perfecto. Pero cuando hay muchas orquestas y quieren tocar juntas, necesitan un director de comunicaciones fiable.

Las redes cuánticas necesitan un intermediario entre el almacenamiento — el espín — y el portador — la luz. Ninguna molécula individual había logrado esa tarea. Pero ahora los físicos han encontrado una solución. Colocaron una molécula de carbeno en un cristal y lo enfriaron a -269 °C.

Dos buzones en extremos opuestos de la ciudad. Metes una carta en uno y, al instante, aparece una idéntica en el otro. Así funciona, más o menos, el entrelazamiento cuántico: dos partículas se comportan como una sola entidad, incluso si las separas a gran distancia.

Un nodo cuántico de memoria es un diminuto diamante con un defecto que puede almacenar y emitir fotones individuales. Pero su luz tiene una longitud de onda de 637 nanómetros: un rojo similar al del rubí que casi se absorbe por completo tras unos pocos metros de fibra óptica estándar.

La llama de una vela tiembla con la corriente de aire, pero no se apaga: la lengüeta solo cambia de forma por un instante y vuelve. Más o menos así se comportan los skyrmiones ópticos — diminutos vórtices en el campo del haz, que recuerdan a remolinos de agua. Hasta hace poco, solo se obtenían en luz láser ideal y uniforme.

Cuando pulsas el interruptor, la luz no se enciende de inmediato: los electrones en los cables necesitan tiempo para 'ponerse en marcha' y moverse juntos. En los metales y semiconductores comunes, la corriente gana fuerza gradualmente, como el agua en una manguera cuando acabas de abrir el grifo.

La luz puede usarse como mensajera que transporta mensajes secretos. Pero para que el mensajero no pierda ni una letra, hay que recibirla y verificarla muy rápido. El nuevo chip de película delgada de niobato de litio es como un torniquete que se abre y se cierra en fracciones de milmillonésima de segundo, dejando pasar los pulsos de luz en el momento adecuado.

Un sobre postal ordinario tiene forma rectangular, y la carta en su interior no cambia las propiedades del sobre. Con los fotones, partículas de luz, la situación es diferente: su 'forma' en el tiempo puede variar, y esa forma en sí misma transporta información.

En una molécula, similar a la clorofila y construida a partir de carbono, un átomo de metal en el centro funciona como un interruptor. Desplazándolo una fracción de nanómetro, se puede hacer que la molécula brille, se apague o amplificar su brillo cientos de veces.

Una computadora cuántica de iones se parece a una lámpara de araña con una docena de colgantes: si tiras de uno, todos se balancean. Cada ion es un qubit, pero cuando hay muchos, sus oscilaciones conjuntas saturan el escenario. Cualquier acción sobre un par afecta a los vecinos y el cálculo se echa a perder. Los autores encontraron la manera de empujar los iones de lado, no de frente.

Una computadora cuántica en el laboratorio se parece a una orquesta: los láseres hacen el papel de arcos y los iones, de cuerdas. Para tocar la melodía deseada, se envían potentes señales de radio a los láseres, que marcan el ritmo y la altura. Pero parte de esa 'música' sale del escenario.

Una puerta común se puede abrir en ambos sentidos, pero los físicos construyeron para los átomos una en la que está permitido entrar, pero no salir. Enfriaron los átomos casi hasta el cero absoluto: con ese frío extremo, se fusionan en una sola nube. Colocaron esta nube en una red ordenada de rayos láser, añadiendo una pequeña irregularidad, como un escalón en el umbral.

Una fibra óptica común es como un hilo de vidrio por el que viaja la luz. Pero cuando se envían simultáneamente señales cuánticas débiles (fotones individuales) y una potente luz láser clásica, surge un problema. El vidrio dispersa ligeramente la luz, lo que se llama dispersión Raman.

Una pila de tortitas idénticas en un plato es solo una pila. Pero si las colocas con un cierto orden, de repente aparece algo nuevo: por ejemplo, un patrón que no era visible en cada tortita por separado. Algo parecido han hecho los físicos con capas delgadas de materiales.

Un rayo láser incide sobre la piel y los tejidos responden con un eco ultrasónico apenas audible. Gracias a ese eco, los médicos pueden ver vasos sanguíneos y tumores sin hacer incisiones. Pero antes de que la imagen aparezca en la pantalla, hay que limpiar la señal del ruido, como un cocinero que retira la espuma del caldo para que quede transparente.

Un fotón es como un auto en un estacionamiento de varios pisos, donde cada piso es su frecuencia (color). Normalmente se queda atascado en un nivel, pero los científicos agregaron un ascensor: un modulador programable que mueve al fotón entre pisos a voluntad.

La luz corre por un laberinto de espejos y divisores de haz, pero al final del camino no solo parpadea en un detector: se transforma a sí misma. En la nueva computadora fotónica, a los circuitos lineales habituales se les han añadido módulos no lineales, y ahora la luz puede realizar cualquier operación cuántica, no solo una parte de ellas.

En el laboratorio, sobre la mesa, hay una trampa láser: una mano invisible que sostiene en el aire una esfera de vidrio del tamaño de una bacteria. Junto a ella, un resonador de espejos donde la luz rebota entre dos paredes reflectantes.

Los superconductores son materiales que conducen la electricidad sin pérdidas, pero normalmente sus propiedades son fijas. En este nuevo trabajo, los científicos construyeron un dispositivo similar a un cruce de dos pistas superconductoras.

Las células respiran. Necesitan oxígeno y lo toman de la sangre que circula por los vasos más diminutos. Si el flujo sanguíneo es débil o falta oxígeno, las células empiezan a asfixiarse. Para los médicos es importante verlo cuanto antes. Pero, ¿cómo mirar dentro de un tejido vivo sin cortarlo? El nuevo dispositivo lo hace de dos maneras a la vez.

Un haz de luz enviado desde la Tierra a un satélite se dispersa en la atmósfera, como una linterna en la niebla. Para que la señal no se pierda, se necesita luz de longitud de onda corta, que se dispersa menos. Ese tipo de luz se genera en cristales especiales, pero es difícil reducirlos al tamaño de un chip.