fuente de fotón único

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.

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.

Una diminuta cápsula, parecida a una burbuja de jabón pero con una cubierta de cristales luminosos, se comporta como un láser. Mientras su pared está intacta, la luz viaja en círculo, se amplifica y sale en un haz estrecho y brillante. En cuanto la pared revienta, el haz se convierte en una mancha tenue.

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.

La luz que pasa junto a una estructura diminuta cambia de dirección. Si la estructura es más pequeña que la longitud de onda de la luz, actúa como una lente y concentra la luz en un punto más pequeño que la propia onda.

Cuando un rayo láser incide en un gas, arranca electrones de los átomos y los acelera hasta casi la velocidad de la luz. Estos electrones, al atravesar el plasma, emiten rayos X, como una estela luminosa dejada por una partícula veloz.

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.

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.

Un resonador vacío no está del todo vacío. Incluso en el vacío absoluto, donde no hay ni un solo fotón, habitan las fluctuaciones cuánticas. Son como el oleaje en un mar en calma: la superficie parece lisa, pero las moléculas no dejan de vibrar. Los físicos han aprendido a convertir esa vibración en ondas reales.

Una orquesta sin director, donde los músicos se escuchan entre sí a través de una pared común. Así funciona aproximadamente el nuevo tipo de láser: varios átomos (emisores) se colocan a lo largo de una guía de ondas, una delgada pista para la luz en un chip. La luz de cada átomo viaja por esa pista e influye en los vecinos.

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

Un láser no es solo luz. Si haces que una partícula oscile como un péndulo y esas oscilaciones se autoalimentan, obtienes un láser fonónico. Suena complicado, pero la idea es simple: en lugar de ondas de luz, el dispositivo emite ondas mecánicas regulares: fonones. En el nuevo trabajo, ese "péndulo" es un único ion de calcio atrapado en una trampa electromagnética.

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 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.

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.

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.

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 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.

Un flash fotográfico común dura milésimas de segundo. Un pulso de attosegundos es un billón de veces más corto: en el tiempo que dura, la luz recorre una distancia menor que el tamaño de un átomo.

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.

Un flash fotográfico normal se congela en centésimas de segundo, pero para los átomos eso es una eternidad. Dentro de las moléculas, los electrones saltan en attosegundos: milmillonésimas de milmillonésima de segundo. Para capturar algo así se necesita un pulso de luz más corto que el propio evento.

La luz puede transportar información más rápido que cualquier electrónica. Pero normalmente, entre el ordenador y el láser se encuentra un convertidor digital-analógico, un dispositivo que convierte los ceros y unos en señales eléctricas. Es precisamente lo que frena todo el proceso. El nuevo transmisor prescinde de este intermediario.

La luz que emite un átomo no es solo un destello: lleva la huella del estado en que se encontraba el átomo en el momento de la emisión. Los físicos tomaron un qubit superconductor —un átomo artificial del tamaño de un microchip— y lo hicieron brillar en una guía de ondas abierta, como una bombilla en un pasillo largo.

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.

Una computadora cuántica es como una orquesta, donde cada cúbit es un músico que toca su parte. Pero de vez en cuando irrumpe un rayo cósmico en la sala, y el violinista se sobresalta y pierde el ritmo. Estas partículas del espacio profundo atraviesan el chip, expulsan electrones extra y estropean la frágil música cuántica.

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 clave secreta en la comunicación cuántica se transmite mediante fotones individuales. Es imposible espiar ese canal: cualquier intento de interceptación destruye la partícula y deja rastro. Pero la idea tiene un punto débil: el hardware real, que a veces se comporta de manera distinta a lo que dicta la teoría.

La punta de un microscopio de efecto túnel se acerca tanto a la superficie de un cristal que entre ambos salta una corriente eléctrica. Los electrones de la aguja se inyectan en un semiconductor estratificado y caen en una vacante atómica: un lugar donde falta un átomo en la red.

Puntos luminosos sobre un fondo oscuro: así se ven las imágenes de moléculas individuales tomadas con el método MINFLUX. Este microscopio puede mostrar detalles de menos de cinco nanómetros, unas diez mil veces más delgado que un cabello humano.

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.

Un láser común es como un coro donde cada uno canta por su cuenta: el sonido es fuerte, pero con asperezas inevitables. En el nuevo láser cuántico, los cantantes se escuchan entre sí y nivelan sus voces.

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.

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.

Los mensajes comunes son interceptados sin que nadie se dé cuenta. Los físicos idearon una manera de crear un secreto compartido que se rompe instantáneamente al ser observado. En lugar de papel, partículas individuales de luz (partículas).

La luz de los diminutos cristales de perovskita es como la actuación de un coro, donde las voces suenan unas veces solas y otras en un dúo armonioso. Antes, ese dúo solo podía escucharse con un enfriamiento extremo, casi hasta el frío del espacio. Ahora, el coro canta a temperatura ambiente.

En un campo enorme de luciérnagas que destellan de a una y no en enjambre, busca el nuevo sistema automático. Pasa el láser por la muestra como si fuera una linterna y en cada punto anota el color y el brillo del resplandor.