En el futuro, La física cuántica podría convertirse en garante de una tecnología de la información segura. Lograr esto, Las partículas individuales de luz (fotones) se utilizan para la transmisión segura de datos. Los hallazgos de los físicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido podrían desempeñar un papel clave. Los investigadores encontraron accidentalmente una fuente de luz que genera un par de fotones a partir de la energía de un electrón. Una de estas partículas de luz tiene el potencial de servir como portadora de la frágil información cuántica, el otro, como mensajero para notificar previamente a su gemelo.

En contraste con la comunicación cuántica, un cocinero tiene el lujo de poder ver si todos los ingredientes que necesita para una receta están en el armario. Después de todo, la harina no se echa a perder en el momento en que la miras. Un físico que intente probar si un procedimiento para transmitir información cuántica ha funcionado según lo planeado se encuentra en una posición mucho más complicada. Los objetos cuánticos cambian de estado cuando se observan, es decir, medido. En la comunicación cuántica, esto dificulta el control de la información transmitida por fotones. Pero ese es el punto críticamente importante. Cada contacto con el medio ambiente puede destruir la información cuántica transportada por los fotones, y además, las fuentes de partículas de luz individuales a menudo generan fotones individuales solo de manera muy irregular. ¿Cómo se garantiza que un fotón está en camino sin medirlo? Los pares de fotones son la solución. Un fotón podría servir como mensajero para su gemelo.

Una fuente inesperada de pares de fotones

Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido han descubierto ahora una fuente inesperada de tales pares de fotones:un microscopio de efecto túnel. Los investigadores normalmente utilizan un microscopio de este tipo para estudiar las superficies de materiales conductores o semiconductores. El microscopio se basa en un efecto conocido como túnel cuántico. Esto describe cómo los electrones tienen una cierta probabilidad de atravesar una barrera que, según la física clásica, normalmente no podrían cruzar. En un microscopio de túnel de barrido, se aplica un voltaje a una punta metálica, haciendo que los electrones tuneen una distancia corta hasta una muestra. Si un electrón pierde energía durante este proceso de tunelización, se produce luz.

Es precisamente esta luz la que los físicos de Stuttgart han estado investigando durante varios años. Su trabajo ha llevado ahora a una observación sorprendente:durante la construcción de túneles, además de las partículas de luz individuales, también se forman pares de fotones, a una tasa de 10, 000 veces mayor de lo que predice la teoría. "Según la teoría, la probabilidad de que se forme un par de fotones es tan baja que nunca deberíamos verlo, "explica el científico Christopher Leon." Pero nuestro experimento muestra que los pares de fotones se generan a un ritmo mucho mayor. Fue una gran sorpresa para nosotros ".

Los físicos midieron los pares de fotones usando dos detectores, permitiéndoles medir el intervalo de tiempo entre los fotones que llegan. "En el momento en que se forma un par de fotones en una unión de túnel, están separados por menos de 50 billonésimas de segundo, "explica el destacado científico Klaus Kuhnke. Por ahora, es imposible decir si los fotones se producen realmente simultáneamente o en rápida sucesión. La resolución de los detectores aún no es lo suficientemente alta.

Nuevas aplicaciones para tunelizar uniones

Los hallazgos abren nuevas aplicaciones en fotónica y comunicación cuántica para uniones de túneles. Los científicos ya conocen los procesos que generan pares de fotones, pero la mayoría de ellos emplean una luz láser intensa. A diferencia de, el método desarrollado por los científicos de Max Planck en Stuttgart es puramente electrónico.

Además, los componentes necesarios son muy pequeños, y el proceso tiene lugar a escala atómica. Esto significa que la nueva fuente de luz también podría usarse en futuras generaciones de chips de computadora, sustitución de componentes electrónicos por ópticos. Una ventaja de emplear fotones es que prometen una transmisión de datos rápida y sin pérdidas. Los pares de fotones en el experimento realizado por los investigadores de Stuttgart fueron extremadamente rápidos, pero el vacío ultra alto y las temperaturas muy bajas requeridas por el experimento siguen siendo un desafío práctico.

El siguiente paso para los científicos es averiguar si la medición de un fotón afecta directamente el estado del otro. Si es así, las partículas de luz se enredarían. Las partículas enredadas de este tipo son cruciales en la criptografía cuántica. Los resultados también plantean preguntas fundamentales sobre cómo se forman los pares de fotones. Hasta ahora, el proceso casi se ha pasado por alto desde el punto de vista teórico. "El hecho de que se generen pares de fotones indica que debe estar ocurriendo un proceso complicado, "dice el teórico Olle Gunnarsson. Klaus Kern, Director del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, está de acuerdo en que el proceso es emocionante:"Es emocionante porque abre una nueva perspectiva sobre cómo se produce la luz".