generación de pares de fotones

La comunicación cuántica es como enviar una carta secreta que se destruye si alguien intenta leerla. Hasta ahora, esa carta solo podía enviarse por un único camino, y eso era lento. Los científicos han ideado la manera de enviar 16 mensajeros por 16 caminos paralelos —diferentes frecuencias de luz— y han comprobado que las cartas llegan intactas.

Dos piedrecitas caen al agua a cierta distancia. Las ondas que generan corren una hacia la otra y en algunos lugares se cancelan: el agua queda lisa, aunque cada piedra por separado habría creado ondas. Algo parecido hace un par de fotones (partículas de luz) nacidos en el mismo cristal y que vuelan en direcciones opuestas.

Una peonza gira tan rápido que el aire a su alrededor comienza a moverse al unísono. Algo similar hace un agujero negro: si rota, puede transferir su energía a las partículas que se encuentren cerca. Este proceso se llama superradiancia — se parece a un eco en las montañas, pero en lugar de sonido, se crean nuevas partículas.

El enigma de la antimateria en el cosmos ha quitado el sueño a los astrofísicos: ¿de dónde vienen los positrones que se posan como copos de nieve en los detectores? La respuesta podría esconderse en el ubicuo fondo de rayos gamma. El Universo está empapado de luz difusa: el fondo fotónico cósmico (CPB).

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.

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.

Dos diminutos espejos en el vacío son como patinadores en pareja. Sus oscilaciones se sincronizan mediante un hilo gravitacional invisible. Al enfriarlos a millonésimas de grado por encima del cero, ese hilo los convierte en un único vínculo cuántico: el movimiento de uno resuena instantáneamente en el otro.

Dos estrellas de neutrones —restos de astros muertos, comprimidos hasta el tamaño de una ciudad pero con el peso de todo un Sol— giran una alrededor de la otra y finalmente colisionan. En ese instante nace algo intermedio entre un agujero negro y un imán ultrapotente: un campo miles de millones de veces más fuerte que el del más potente escáner de resonancia magnética.

Una orquesta donde cada músico toca su propia parte y juntos crean una melodía compleja: así se ve una nube de átomos cuyos espines (rotaciones intrínsecas, como diminutas peonzas) oscilan de manera coordinada. Normalmente, estas peonzas se comportan de forma independiente.

Antes de montar un enorme rompecabezas, hay que fabricar las piezas; de lo contrario, la imagen no se completa. En los ordenadores cuánticos basados en fusión, el papel de esas piezas lo desempeñan diminutos cúmulos de luz: los estados de recurso fotónico. Se hacen colisionar y se miden para ir tejiendo gradualmente el tejido computacional.

El enigma de la gravedad cuántica ha inquietado las mentes durante casi un siglo. El campo clásico que curva el espacio-tiempo se niega a encajar en el mundo probabilístico de las superposiciones. ¿Puede la gravedad, siendo macroscópica, generar entrelazamiento microscópico?

Cuando un campo eléctrico alcanza una fuerza monstruosa, el vacío deja de estar vacío. Ya a mediados del siglo pasado, Julian Schwinger demostró que el vacío literalmente estalla en pares de partícula-antipartícula si el campo es suficientemente intenso.

Una linterna brilla a través de una niebla espesa. La luz se dispersa en las gotas de agua y la linterna se ve borrosa. Alrededor de un agujero negro ocurre algo parecido: un gas caliente, como una niebla, lo envuelve, y los rayos X de las partes internas del disco se abren paso a través de esa nube. Solo que aquí las «gotas» son electrones, y la «niebla» en sí se llama corona.

La luz no son solo rayos rectos, sino ondas electromagnéticas capaces de retorcerse en el espacio, como una pareja en un vals. A su giro total los físicos lo llaman momento angular orbital, y durante mucho tiempo se pensó que obedecía a la ley de conservación — un principio fundamental que se deriva de las simetrías de la naturaleza descubiertas por…

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.

Dos músicos tocan a dúo. En una sala ideal se escuchan perfectamente y poco a poco entran en resonancia. Pero intenta tocar en una habitación donde alguien no deja de cerrar la puerta de golpe. Parecería que el ritmo se desajusta. Pues no: a veces es precisamente ese portazo aleatorio el que hace que ambos se sincronicen al instante.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

En el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan miles de millones de veces por segundo. Entre ese torrente, los físicos han capturado ocho eventos en los que, tras el impacto, surgieron a la vez dos partículas Z del modelo estándar y un fotón.

La luz solar es un torrente impetuoso que lleva pares inseparables de gotas. Así se ve el entrelazamiento cuántico: dos partículas están tan unidas que la vibración de una resuena instantáneamente en la otra. Antes, para crear estos pares se necesitaba un «remanso tranquilo»: un rayo láser perfectamente ajustado.

Un cristal de óxido de magnesio se parece a una formación de soldados: los átomos están alineados en filas ordenadas y un electrón corre entre ellos. Pero si el electrón se detiene, los átomos cercanos se desplazan ligeramente de sus posiciones, como si los vecinos de la fila giraran la cabeza. El electrón queda atrapado en un hueco formado por los átomos desplazados y ya no puede moverse libremente.

Una oblea de silicio es como la masa para galletas. La calientas en el horno y en su interior aparecen pequeñas pasas: defectos en la red cristalina que pueden emitir fotones individuales. Estas "pasas" se llaman centros de color y son necesarias para los ordenadores cuánticos y las comunicaciones seguras.

Un ion individual de calcio flota en una trampa de vacío, sostenido por campos eléctricos, como un guisante en un cuenco invisible. A su alrededor hay dos espejos que forman una cavidad óptica: la luz rebota entre ellos, intensificando la interacción con el ion.

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.

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.

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.

Dos fotones, como las dos caras de una misma moneda, se separan decenas de kilómetros, pero permanecen conectados: si mides uno, conoces al instante el estado del otro. Esta propiedad se llama entrelazamiento y es la base de la comunicación cuántica.

El gato de Schrödinger suele esconderse en experimentos mentales, vivo y muerto a la vez. Esta vez lo atraparon en el laboratorio: se hizo que un pulso de luz estuviera en dos estados opuestos a la vez, como una moneda suspendida en el aire mostrando cara y cruz al mismo tiempo.

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.

Un cristal sin centro de simetría se parece a una escalera cuyos peldaños están todos inclinados hacia el mismo lado: los electrones, al recibir el empujón de la luz, ruedan preferentemente en una dirección. Así nace la corriente continua: el efecto fotovoltaico.

Los físicos crearon por primera vez un trío de fotones entrelazados como un todo, y no solo por pares. Para ello, un chip especial se enfrió a una temperatura cientos de veces inferior a la del vacío cósmico: cualquier ruido amenazaba con destruir el frágil vínculo.

En 1989, John Wheeler formuló una idea audaz: «it from bit», todo lo existente proviene de la información. Durante mucho tiempo esto quedó como una metáfora elegante, pero ahora los físicos han encontrado un mecanismo concreto que convierte bits en partículas.