indistinguibilidad de fotones

La luz que no llega a la cámara deja igualmente su huella en ella. Así funciona el nuevo método de fotografía: se ilumina el objeto con un color y la imagen se compone a partir de otro. En el cristal, las ondas de luz se mezclan y la información sobre lo invisible se transfiere al rayo visible. En el experimento se utilizó un cristal de tiogalato de plata.

En la pared, franjas claras y oscuras. Así es la luz que se cancela a sí misma. Ya en el siglo XVII, Christiaan Huygens supuso que la luz es una onda. Pero solo los experimentos de Arago y Fresnel a inicios del XIX demostraron que dos haces producen esas franjas únicamente si sus vibraciones están en el mismo plano.

El mundo cuántico está lleno de conexiones extrañas. Dos partículas pueden estar "enredadas": el estado de una influye al instante en la otra, aunque las separen kilómetros. Pero, ¿cómo saber si están realmente enredadas? Es como un ovillo de hilo: a primera vista no se distingue si es una madeja única o solo hebras enredadas.

Una marca de agua sutil sobre papel mojado, y un vidrio empañado frente a los ojos. Así se ve aproximadamente la tarea de leer estados cuánticos de la luz: los delicados patrones de fotones se distorsionan por las pérdidas, y los detectores capturan solo una pequeña parte de la señal.

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.

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.

El chip de vidrio con 128 guías de ondas funciona como una máquina de pinball cuántico. En lugar de bolas — fotones, en lugar de flippers — microcalentadores que cambian las rutas sobre la marcha. La tarea es simple: lanzar hasta cuatro partículas idénticas y ver dónde terminan.

En los sótanos de cuatro institutos europeos había siete dispositivos, cada uno comparable a un diapasón de precisión inimaginable. Solo que en lugar de sonido, emiten un «tictac» de luz: oscilaciones de un láser confinado a una frecuencia específica por átomos de espectroscopía de estroncio, iterbio o mercurio.

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.

Dos fotones salen de un mismo punto en el pecho del paciente. Son gemelos: si alteras uno, al instante sabes algo del otro. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico. En una exploración PET, estos pares nacen dentro del cuerpo cuando la sustancia radiactiva inyectada se encuentra con los electrones de los tejidos. El grado de entrelazamiento no es constante.

Una molécula de deuterio, formada por dos átomos de hidrógeno pesado, se desintegra al recibir el impacto de un láser. Un electrón es arrancado, dejando tras de sí un ion. En ese momento, ambos siguen vinculados: la dirección de uno revela de inmediato hacia dónde fue el otro. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico.

Un guardia debe revisar cinco habitaciones, pero no puede entrar. Llama a la puerta y escucha: el silencio indica que hay alguien dentro, mientras que el eco revela que la habitación está vacía.

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.

Dentro del cristal de nitruro de boro a veces aparecen defectos: lugares donde los átomos están desplazados o no ocupan su posición correcta. Uno de estos defectos, el centro B, es capaz de emitir luz: absorbe energía y la libera en forma de un único fotón. Es como una bombilla diminuta que solo se enciende cuando se le pide y no emite luz de más.

Las tecnologías cuánticas suelen usar la luz, no como una simple bombilla, sino como portadora de información. Una forma de hacerlo es codificar los datos en la frecuencia: cada 'color' del fotón puede ser una celda de memoria independiente. El problema es que trabajar con estos estados de color requiere un laboratorio entero: fuente de fotones, filtros, moduladores, detectores.

En el siglo XIX, James Clerk Maxwell imaginó un pequeño demonio. Este conoce la velocidad de cada molécula de gas y abre una puerta: las rápidas a la izquierda, las lentas a la derecha. Así, sin gastar energía, surge una diferencia de temperatura, lo que parece violar las leyes de la física.

Dos fotones salen de una pequeña caja y se comportan como gemelos que siempre visten igual. Si giras a uno, el otro gira al instante de la misma manera, incluso si los separas por kilómetros. Esto no es un truco, sino el entrelazamiento cuántico: una conexión entre partículas que no depende de la distancia.

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.

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.

Una fuente de luz individual en una capa fina de nitruro de boro parpadea y se apaga en un par de nanosegundos. Se pueden crear muchas de estas fuentes en el material, pero cada una funcionaba por su cuenta durante mucho tiempo. En el nuevo trabajo, se logró que brillaran juntas, como músicos tocando al unísono.

La luz de una sola molécula es como una voz solitaria en un coro inmenso. Para escucharla no basta un micrófono, sino un instrumento delicado que capture cada fotón y registre el momento de su llegada.

Según las leyes de la física, nada puede superar a la luz, de lo contrario, para algunos observadores, el efecto ocurriría antes que la causa. Artur Ekert y Andrzej Dragan demostraron que esta situación genera una incertidumbre similar a la cuántica.

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.

Un láser de fibra con retroalimentación aleatoria es un hilo delgado de vidrio por el que viaja la luz, pero que no se refleja en espejos, sino en las mínimas irregularidades de la propia fibra. Este láser no emite un haz uniforme: su luz tiembla y parpadea como la llama de una vela con corriente de aire.

La luz de una misma fuente puede "encontrarse" consigo misma, y entonces en la pantalla aparecen franjas, como las ondas que se forman al lanzar dos piedras al agua. Los físicos llevan tiempo logrando esto con dos fotones, pero conseguir que cuatro partículas de luz se fusionen a la vez era difícil: las fuentes de fotones individuales perdían demasiadas partículas en el camino.

Un torniquete solo permite el paso hacia adelante, nunca hacia atrás. Un principio similar fue implementado por físicos en un diminuto chip semiconductor para fotones individuales (partículas de luz).

En una sala de conciertos vacía, dos músicos tocan una misma partitura. Primero el violín, luego el violonchelo, o al revés. Siempre ha sido así: cada nota tiene su lugar en el tiempo, su 'antes' y su 'después'. Pero, ¿y si la orquesta pudiera tocar ambas versiones a la vez, en una superposición cuántica de dos órdenes?

Detectar un emisor cuántico individual es como afinar un piano de cola en un taller con máquinas rugientes: el tono puro se ahoga en el ruido. Pero el afinador no intenta gritar más que el estruendo: toma un diapasón y escucha los batidos. Así, incluso un eco apenas audible se vuelve evidente.