Los físicos cuánticos ahora pueden destilar una especie de aguardiente de fotones. Cuando se destilan los espíritus, el contenido de alcohol aumenta en relación con el contenido de agua. Un método similar desarrollado por un equipo del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching trabaja con cuantos fotones de luz. Extrae fotones individuales de una fuente de luz, empuja hacia atrás el componente de vacío no deseado, e informa de este evento. Estos fotones individuales son bits cuánticos importantes para la tecnología de la información cuántica que está surgiendo actualmente.

De hecho, recuerda el principio detrás de la destilación del alcohol, a pesar de que el dispositivo ubicado en un laboratorio en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica parece completamente diferente de algo que se usa para destilar aguardiente. El experimento de Garching aumenta la proporción de fotones individuales en relación con el vacío. Esta motivación puede sonar extraña para el público en general. Sin embargo, conduce directamente al extraño mundo de la física cuántica. En última instancia, las fuentes de luz débiles que pueden entregar exactamente un fotón desempeñan un papel central en la tecnología de la información cuántica. Como un bit cuántico, un fotón puede transportar la información cuántica elemental requerida para las redes cuánticas, cifrado cuántico, y computadoras cuánticas, al igual que la tecnología digital actual procesa bits individuales como portadores de información.

La construcción de fuentes de fotones individuales es un desafío que se ha investigado en todo el mundo durante muchos años. Esto suena asombroso porque solo se necesita un toque de un interruptor de luz para iluminar una habitación. Sin embargo, la luz de una lámpara corresponde a una corriente de una enorme cantidad de fotones. Si atenúa una fuente de luz hasta tal punto que solo fotones individuales puedan escapar de ella, te enfrentas a la naturaleza de tirar los dados del mundo cuántico; a veces no llega nada, y luego vienen dos o tres fotones y así sucesivamente. Es un poco como el goteo de un alambique. No se puede predecir con precisión cuándo vendrá la caída o qué tan grande será.

No se puede agregar vacío a un fotón preparado limpiamente

Los físicos del Departamento de Gerhard Rempes en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica no tenían intención de desarrollar otra fuente de luz de fotón único. En lugar de, su experimento puede extraer fotones individuales de la luz de cualquier fuente de luz muy débil, como un alambique, y reportar este evento de manera confiable. Estrictamente hablando, reduce la fracción de vacío puro en comparación con el caso de obtener un fotón. Esto es lo que aprendes de Severin Daiß, Estudiante de doctorado del Instituto y primer autor de la publicación. Una de las peculiaridades del mundo cuántico es que el vacío en sí mismo representa un estado cuántico. Si desea preparar limpiamente un fotón, no se debe agregar vacío.

Dos retos se unen en el nuevo trabajo de investigación del equipo de Rempes. El primer desafío es obtener exactamente un fotón. El segundo es detectarlo de manera confiable. Un solo átomo de rubidio resuelve ambas tareas en un solo paso. Este átomo está en una especie de gabinete de espejo. Más precisamente, está atrapado entre dos espejos casi perfectos uno frente al otro. La distancia de los espejos en este "resonador" corresponde precisamente a un múltiplo de la mitad de una longitud de onda de luz en la que el átomo podría irradiar o absorber su propio fotón. En este sistema, el átomo se puede plegar hacia adelante y hacia atrás entre dos posiciones de visualización como un puntero; esto juega un papel importante aquí.

Varios fotogramas de fotones en sucesión aumentan la pureza de la luz

"Podemos utilizar este sistema del átomo en el resonador como un alambique para el fotón", dice Severin Daiß. El grupo basado en Garching dirige una luz láser extremadamente débil, de la que quieren obtener un solo fotón, hacia la cavidad. Allí hace algo que solo funciona en el mundo cuántico:se enreda con la disposición átomo-resonador, formando así un estado cuántico común. Este estado entrelazado hace que el sistema esté quieto:con una medición en el átomo, los físicos pueden extraer un número par o impar de fotones de la luz incidente.

Sin embargo, esto no funciona como un interruptor; la naturaleza de tirar los dados del mundo cuántico evita que un fotón entre con solo presionar un botón. "Lo decisivo aquí es que ahora podemos usar el átomo como puntero para informar una destilación de fotón único exitosa", explica Daiß. Los físicos dejan que la disposición haga rodar fotones pero consiguen que el recuento de dados se muestre de forma fiable.

Junto con luz ultra-débil, el modo "número impar de fotones" ahora puede producir eventos con un fotón porque rara vez hay más fotones disponibles. La destilación tuvo éxito con una "pureza" del 66 por ciento, lo que significa que el contenido de vacío se redujo a un tercio. En comparación con las fuentes de luz de fotón único, este es un buen resultado para un primer intento. Esta pureza se puede incrementar considerablemente con mejores cavidades ópticas. Los elementos de destilación de fotones se pueden conectar en serie para aumentar aún más la pureza del fotón que pasa. También se puede mejorar la calidad de la luz de otras fuentes de fotones individuales. Es como hacer un 60 por ciento (o más) de vodka con un 40 por ciento de vodka.