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Aprovechan las propiedades cuánticas de la luz

El Universal
Jueves 09 de diciembre de 2010
Aprovechan las propiedades cunticas de la luz

DESDE 2009 Los científicos pumas trabajan en el laboratorio de Óptica Cuántica del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM con fuentes de luz de baja intensidad. (Foto: Cortesía UNAM )

Se pueden utilizar para implementar canales de comunicación más seguros; también permitirían desarrollar en un futuro no muy lejano una computadora cuántica

Desde noviembre de 2009, un grupo de investigación coordinado por el doctor Alfred U’Ren trabaja en el Laboratorio de Óptica Cuántica, del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN) de la UNAM, con fuentes de luz de baja intensidad, de tal modo que la luz se comporta más como partículas, o fotones, que como ondas.

“La óptica cuántica es el estudio de la luz en situaciones en las que predomina el aspecto corpuscular sobre el ondulatorio. En general, la luz que proviene del Sol, de un foco, de una vela o de un láser se comporta como ondas o como partículas, dependiendo de las circunstancias. En algunos casos salen a relucir sus propiedades ondulatorias; en otros, sus propiedades corpusculares, es decir, de partículas. Nosotros trabajamos con partículas de luz, llamadas también fotones”, dice U’Ren.

Un fotón es un cuanto de energía electromagnética (un cuanto representa una unidad fundamental). El fotón es a la luz lo que el átomo a la materia.

El trabajo de los investigadores se enfoca en el diseño de parejas de fotones con propiedades optimizadas. En concreto, ellos se han enfocado en proponer e implementar métodos experimentales para lograr la emisión de parejas de fotones y de fotones individuales puros a frecuencias tanto en el visible como en el infrarrojo.

“Hacemos incidir un haz láser, compuesto por unos 100 mil millones de millones de fotones por segundo, en un cristal no lineal. De cuando en cuando, un fotón, aproximadamente, de cada 10 mil millones del haz láser se aniquila para generar dos nuevos fotones independientes, cada uno con la mitad de la energía del fotón original”, explica.

Lo interesante es que estos dos fotones comparten correlaciones denominadas enredamiento cuántico. Al llevar a cabo una acción sobre uno de ellos, el otro lo “siente” de manera instantánea. En particular, la medición de uno de los dos fotones puede determinar el estado de su contraparte, aun sin hacer medición alguna sobre este segundo fotón.

Originalmente, el enredamiento cuántico causó una enorme controversia, aunque también ha sido fuente de inspiración de muchos trabajos científicos, incluido el realizado en el Laboratorio de Óptica Cuántica del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM.

Mensajes absolutamente seguros

En la década de los años 80 del siglo pasado nació la rama de la física denominada procesamiento de información cuántica, que representa el aprovechamiento de las propiedades cuánticas de sistemas físicos, entre ellos los fotones, para lograr comportamientos imposibles según las leyes de la física clásica. De ahí surgieron posteriormente dos subramas: la criptografía cuántica y la computación cuántica.

Por lo que se refiere a la primera, se pueden utilizar las propiedades cuánticas de la luz para implementar canales de comunicación que en principio son absolutamente seguros, es decir, cuya seguridad se encuentra garantizada por las mismas leyes de la física.

La secrecía del mensaje está resguardada por una llave cuántica, la cual se puede transmitir de un usuario a otro, comúnmente denominados Alicia y Beto, de forma tal que resulta imposible que un espía intercepte la información sin que Alicia y Beto se percaten de un intento de espionaje.

“Entre las tecnologías basadas en la mecánica cuántica, la transmisión de llaves secretas o criptografía cuántica es la que más ha progresado. Incluso, algunas compañías ya han desarrollado algunos prototipos y éstos ya han sido adquiridos por bancos o fuerzas armadas para enviar información de gran sensibilidad”, apunta U’Ren.

Unidad fundamental de información

Los sistemas de procesamiento de información cuántica se basan en el llamado cubit, o bit cuántico, como unidad fundamental de información.

“Un fotón puede tener dos polarizaciones; por ejemplo, horizontal y vertical, lo que correspondería al cero y el uno de los bits usuales. Pero un sistema cuántico puede tener una superposición, es decir, tener simultáneamente el cero y el uno, lo que abre muchas posibilidades, porque no sólo es cero o uno, sino cero y uno al mismo tiempo, con una cierta combinación de ellos”, indica el investigador de la UNAM.

Aunque todavía existen diversos obstáculos científico-tecnológicos para poder construir una computadora cuántica, ya se han propuesto algunos sistemas físicos, tales como átomos e iones individuales confinados en un sistema especial, así como también moléculas o fotones.

Los investigadores universitarios no trabajan propiamente en la computación cuántica. Su investigación se enfoca precisamente en vencer algunos de los obstáculos que se presentan en el camino hacia la realización del procesamiento de información cuántica.

“En particular, nos enfocamos en el diseño, implementación y caracterización de fuentes de parejas de fotones que cumplan con los requisitos básicos para desarrollar algún día sistemas de procesamiento de información cuántica, incluso una computadora cuántica,” señala Alfred U’Ren.

Resultados preliminares

Una de los objetivos fundamentales de esta rama de la física es el desarrollo de una fuente capaz de emitir fotones individuales cuánticamente puros (es decir, que no estén compuestos por una mezcla de diferentes modos -o tipos- de luz) y una determinista, es decir, a partir de la cual tengamos la certeza de la existencia de un fotón individual cuando se requiera.

En relación con esto, los investigadores universitarios han obtenido resultados preliminares muy interesantes en el nuevo Laboratorio de Óptica Cuántica del ICN de la UNAM.

“Tenemos en operación una fuente de parejas de fotones, compuesta por un haz láser que bombea un cristal no lineal, y hemos podido realizar diversas mediciones de las propiedades cuánticas de estas parejas de fotones. Para la detección utilizamos fotodiodos de avalancha, los cuales son capaces de constatar el arribo de un fotón individual”, dice el investigador.

Para hacerse una idea de lo que significa contar un fotón individual, consideremos que un apuntador láser de 2 mili watts -como los que se utilizan en los salones de clase o durante una conferencia- emite unos mil millones de millones de fotones por segundo...

“Hay una probabilidad considerable, que oscila entre 20% y 30% de que un fotón no sea registrado por un fotodiodo de avalancha. De cualquier manera, no deja de ser notable que seamos capaces de detectar la llegada de un solo fotón”, comenta U’Ren.

Más información en el correo electrónico: alfred.uren@nucleares.unam.mx. (Leonardo Huerta Mendoza)



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