Descubren un inesperado comportamiento de los fotones que puede permitir un avance en la computación cuántica

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Los vórtices son un fenómeno físico muy común. Se encuentran en la estructura de las galaxias, en los tornados y los huracanes, así como en una taza de té o en el agua que sale de la bañera. Normalmente, los vórtices se forman cuando el aire, el agua u otra sustancia que fluye a gran velocidad se topa con una zona con un flujo más lento. Se caracterizan por un flujo circular alrededor de un eje estacionario. Por tanto, la función de los vórtices es salvar la tensión entre zonas adyacentes con flujos de diferente velocidad.

Un estudio publicado en Science y dirigido por el Dr. Lee Drori, el Dr. Bankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar y el Dr. Gal Winer del laboratorio del Prof. Ofer Firstenberg en el Departamento de Física de Sistemas Complejos del Instituto Weizmann de Ciencias ha descubierto un tipo de vórtice hasta ahora desconocido. Los investigadores se propusieron buscar una forma eficiente de utilizar fotones [NdeR: los fotones son las partículas de energía electromagnética más pequeñas posibles y, por lo tanto, también las partículas de luz más pequeñas posibles] para procesar datos en ordenadores cuánticos y encontraron algo inesperado: se dieron cuenta de que en el caso poco frecuente de que dos fotones interactúen, crean vórtices. Este descubrimiento no solo contribuye a la comprensión fundamental de los vórtices, sino que en última instancia puede contribuir al objetivo original del estudio de mejorar el procesamiento de datos en la computación cuántica.

La interacción entre fotones (partículas de luz que también se comportan como ondas) solo es posible en presencia de una materia que sirva de intermediario. En su experimento, los investigadores forzaron la interacción de los fotones creando un entorno único: una celda de vidrio de 10 centímetros que estaba completamente vacía, salvo por átomos de rubidio que estaban tan apretados en el centro del recipiente que formaban una pequeña y densa nube de gas de aproximadamente un milímetro de largo. Los investigadores lanzaron cada vez más fotones a través de esta nube, examinaron su estado después de atravesarla y observaron si se habían influenciado entre sí de alguna manera.

Cuando la nube de gas estaba más densa y los fotones estaban cerca unos de otros, ejercían el mayor nivel de influencia mutua.

“Cuando los fotones atraviesan la densa nube de gas, envían a varios átomos a estados de excitación electrónica, conocidos como estados de Rydberg”, explica Firstenberg. “En estos estados, uno de los electrones del átomo comienza a moverse en una órbita que es 1.000 veces más ancha que el diámetro de un átomo no excitado. Este electrón crea un campo eléctrico que influye en una gran cantidad de átomos adyacentes, convirtiéndolos en una especie de ‘bola de cristal’ imaginaria”.

La imagen de una bola de cristal refleja el hecho de que el segundo fotón presente en la zona no puede ignorar el entorno creado por el primer fotón y, en respuesta, altera su velocidad, como si hubiera pasado a través de un cristal. Así, cuando dos fotones pasan relativamente cerca uno del otro, se mueven a una velocidad diferente de la que tendrían si cada uno hubiera viajado solo. Y cuando cambia la velocidad del fotón, también lo hace la posición de los picos y valles de la onda que transporta. En el caso óptimo para el uso de fotones en computación cuántica, las posiciones de los picos y valles se invierten completamente entre sí, debido a la influencia que los fotones tienen entre sí, un fenómeno conocido como desplazamiento de fase de 180 grados.

El rumbo que tomó la investigación fue tan único y extraordinario como las trayectorias de los fotones en la nube de gas. El estudio, en el que también participaron los doctores Eilon Poem y Alexander Poddubny, comenzó hace casi una década y ha visto pasar por el laboratorio de Firstenberg a dos generaciones de estudiantes de doctorado. Con el tiempo, los científicos de Weizmann lograron crear una nube de gas densa y ultrafría, repleta de átomos. Como resultado, lograron algo sin precedentes: fotones que experimentaron un cambio de fase de 180 grados, y a veces más. Cuando la nube de gas estaba en su punto más denso y los fotones estaban cerca unos de otros, ejercían el mayor nivel de influencia mutua. Pero cuando los fotones se alejaban unos de otros o la densidad atómica a su alrededor disminuía, el cambio de fase se debilitaba y desaparecía.

La suposición predominante era que este debilitamiento sería un proceso gradual, pero los investigadores se llevaron una sorpresa: se formaron un par de vórtices cuando dos fotones estaban a cierta distancia el uno del otro. En cada uno de estos vórtices, los fotones completaron un cambio de fase de 360 grados y, en su centro, casi no había fotones en absoluto, tal como en el centro oscuro que conocemos de otros vórtices.

Para entender los vórtices de fotones, pensemos en lo que ocurre cuando arrastramos una placa verticalmente por el agua. El rápido movimiento del agua empujada por la placa se encuentra con el movimiento más lento que la rodea. Esto crea dos vórtices que, cuando se observan desde arriba, parecen moverse juntos a lo largo de la superficie del agua, pero en realidad forman parte de una configuración tridimensional conocida como anillo de vórtices: la parte sumergida de la placa crea medio anillo, que conecta los dos vórtices visibles en la superficie, obligándolos a moverse juntos.

Otro ejemplo conocido de anillos de vórtices son los anillos de humo. En las últimas etapas del estudio, los investigadores observaron este fenómeno cuando introdujeron un tercer fotón, lo que añadió una dimensión adicional a los hallazgos: los científicos descubrieron que los dos vórtices observados al medir dos fotones forman parte de un anillo de vórtices tridimensional generado por la influencia mutua de los tres fotones. Estos hallazgos demuestran lo similares que son los vórtices recién descubiertos a los conocidos en otros entornos.

Puede que los vórtices hayan sido los protagonistas de este estudio, pero los investigadores siguen trabajando para alcanzar su objetivo de procesamiento cuántico de datos. La siguiente etapa del estudio será disparar los fotones entre sí y medir el cambio de fase de cada fotón por separado. Dependiendo de la intensidad de los cambios de fase, los fotones podrían utilizarse como qubits, las unidades básicas de información en la computación cuántica. A diferencia de las unidades de la memoria de una computadora normal, que pueden ser 0 o 1, los bits cuánticos pueden representar un rango de valores entre 0 y 1 simultáneamente.

Los científicos descubrieron que la presencia de un solo fotón afectaba a 50.000 átomos, lo que a su vez influía en el movimiento de un segundo fotón.

La investigación del profesor Ofer Firstenberg cuenta con el apoyo del Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust, la Beca Anual Shimon and Golde Picker – Weizmann y el Laboratorio en Memoria de Leon y Blacky Broder, Suiza.