integración de fotónica cuántica

Una cuerda tensa suena más aguda y una cuerda floja, más grave. En los puntos cuánticos, el papel de la cuerda lo desempeña la red cristalina: comprimirla o estirarla cambia el color de la luz que se emite. El problema es que, al cultivar los nanohilos, cada punto recibe su propia tensión aleatoria, y sus «cuerdas» suenan desafinadas.

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.

Un bibliotecario en un depósito de libros raros toma un volumen del estante y lo devuelve a su lugar sin despertar al gato que dormita cerca. Así funciona la nueva memoria cuántica: atrapa un fotón, lo esconde en la vibración mecánica de un puente diminuto de silicio y lo devuelve a la primera orden.

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.

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.

La luz en una fibra óptica se parece a un arroyo: fluye dentro del hilo de vidrio y no se derrama hacia afuera. Un hilo grueso deja pasar muchos arroyos a la vez; uno delgado, solo uno. Los astrónomos a menudo necesitan verter la luz de un hilo grueso en varios delgados para descomponerla en colores.

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.

Un fotón individual es como un ladrillo perfectamente liso con el que se pueden construir tecnologías cuánticas. Pero para construir una casa, se necesitan miles de ladrillos idénticos. Los átomos de rubidio son emisores natos: cada átomo emite fotones de una sola longitud de onda, como un diapasón que siempre da la misma nota.

Se puede hacer que la luz gire a voluntad, como el agua en una manguera, si se sabe dónde presionar. Eso es exactamente lo que hacen los circuitos electroópticos: cambian la dirección del haz dentro del chip mediante un campo eléctrico.

La luz en una habitación normal desaparece al instante en cuanto apagas la lámpara. En una cavidad diminuta de nitruro de silicio, un fotón puede rebotar entre las paredes 80 000 veces antes de perderse. Es como si una pelota lanzada en una habitación rebotara en las paredes casi sin perder velocidad.

Cada noche, cientos de observatorios escrutan el cielo, pero los planetas de otras estrellas siguen siendo fantasmas. Su luz es miles de millones de veces más débil que el resplandor de su estrella madre — la tarea parece desesperada.

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.

Cada aniquilación de un positrón se asemeja al nacimiento de una pareja de bailarines, unidos por un hilo invisible de polarización. Dos rayos gamma se separan, pero sus estados permanecen entrelazados: medir uno determina instantáneamente al otro, como si la pareja sintiera cada movimiento sin importar la distancia.

Decenas de bobinas de cobre en el tomógrafo captan la débil respuesta de los tejidos, como micrófonos que intentan escuchar un susurro en una sala ruidosa. Cada micrófono arrastra un grueso haz de cables. Los cables se presionan entre sí, generan interferencias eléctricas, se calientan y añaden riesgo para el paciente.

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.

La célula viva emite constantemente débiles señales magnéticas, como si susurrase. Los científicos escuchan estos susurros con dos «micrófonos» microscópicos: sensores de campo magnético.

Es muy probable que los ordenadores cuánticos del futuro se comuniquen mediante luz. El átomo almacena la información y el fotón la transporta por la red. Pero el átomo no permanece inmóvil: tiembla, oscila, y ese movimiento puede estropear la señal. Antes, los ingenieros solo sabían calcular el caso de un átomo inmóvil.

Una fuente de fotones convencional puede compararse con la entrada de una discoteca con un solo portero. Trata de dejar pasar a los visitantes de uno en uno, pero a veces se cuelan parejas. Los físicos llaman a esto el problema de la pureza: los fotones deben ir estrictamente uno tras otro, de lo contrario los cálculos cuánticos fallan.

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.

Un diapasón suena increíblemente puro, pero en cuanto lo tocas, el tono cambia casi al instante. Algo así era el desafío para los ingenieros: crear un láser que tuviera a la vez dos propiedades aparentemente incompatibles: una pureza espectral excepcional (una línea de emisión muy estrecha, como un diapasón que da una sola nota sin vibraciones parásitas) y la capacidad de…

El haz de una linterna dirigido a través de un vidrio esmerilado se convierte en una mancha difusa con cada milímetro adicional de grosor. Algo similar ocurre con los centelleadores: materiales que convierten los rayos X en luz visible. Son la base de las imágenes médicas, la inspección de equipaje y los detectores en aceleradores.

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.

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.

Un telescopio solar se parece a un ojo que intenta distinguir a una hormiga a través de una sopa hirviendo. El cielo diurno deslumbra, el aire tiembla y la imagen se desdibuja. Para congelarla se necesita óptica adaptativa: un sistema que adivina las distorsiones y las corrige cientos de veces por segundo.

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.

La luz en una fibra óptica viaja por el núcleo sin apenas escapar al exterior. Pero si uno se acerca mucho, puede sentir un leve temblor del campo en la superficie: la onda evanescente.

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.

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.

Diminutas islas de semiconductor, cultivadas directamente sobre silicio, disparan fotones individuales, como una ametralladora que expulsa estrictamente una bala a la vez. Estas islas se denominan puntos cuánticos. Son capaces de emitir luz en paquetes, lo que se necesita para proteger la información en redes cuánticas.

Una computadora normal hace circular electricidad por pistas de cobre, y cada acción es una cola: primero una cosa, luego otra. La luz sabe hacerlo de otra manera. En un solo haz se pueden mezclar decenas de señales sin que se estorben, como voces distintas en un coro que suenan a la vez pero cada una se oye por separado. El nuevo chip FieldCore utiliza cinco de esas "voces" a la vez.

El núcleo del átomo de torio-229 es como una cuerda de guitarra tensada: vibra a una frecuencia estrictamente definida. Para «extraer el sonido», se necesita un golpe preciso: un rayo láser de un color muy específico.

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.

Dentro de cada célula hay una red de finos tubos: los microtúbulos. Funcionan a la vez como andamios y como rieles: mantienen la forma de la célula y transportan cargas. Estos tubos están formados por la proteína tubulina y, de forma natural, brillan débilmente bajo la luz ultravioleta.

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.

Una lente normal siempre refracta la luz de la misma manera. Sus propiedades quedan congeladas en el vidrio para siempre. Pero ahora ha aparecido una superficie que cambia las reglas del juego mientras trabaja. Los científicos han creado una película finísima con elementos resonantes y la han impregnado con cristales líquidos, la misma sustancia que se usa en las pantallas de los teléfonos.

Un grifo del que el agua no sale en chorro, sino estrictamente de a una gota: así se puede describir la fuente de fotones individuales que presentan los autores. En la luz ordinaria, los fotones viajan en multitud, como el agua de un grifo abierto.

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.

En un cristal se puede generar un sonido de tan alta frecuencia que el oído humano no lo percibe, y hacer que ese sonido corra en círculos, como un tren por una vía circular. Los ingenieros tomaron una fina película de nitruro de silicio, la depositaron sobre un sustrato de niobato de litio y grabaron en ella pistas para ondas sonoras.

La luz infrarroja no es visible al ojo, pero está en todas partes: desde el mando del televisor hasta el calor del cuerpo humano. Para capturarla se necesitan materiales especiales. Los detectores comunes son voluminosos, rígidos y no se ajustan bien a la longitud de onda deseada.