Algunas de las mayores preguntas sin respuesta sobre la naturaleza del universo están relacionadas con la luz, el vacío (es decir, espacio donde no existe materia ni radiación), y su relación con el tiempo. En el pasado, físicos y filósofos han abordado una variedad de cuestiones complejas, por ejemplo, cuál es la naturaleza del vacío, y ¿cómo se relaciona la propagación de la luz con el paso del tiempo?

Investigadores de la Universidad de Konstanz han llevado a cabo recientemente un estudio que explora los estados cuánticos de las fluctuaciones de la luz y el vacío. así como su interacción con el tiempo. Su papel publicado en Física de la naturaleza , introduce un nuevo marco teórico para describir los estados cuánticos de la luz y el vacío en escalas de tiempo ultracortas.

El estudio de los investigadores se centra en "la luz exprimida, "que se compone esencialmente de impulsos de luz con fluctuaciones electromagnéticas redistribuidas o" exprimidas ". Kizmann y sus colegas pudieron desvelar la existencia de una dependencia directa entre los campos electromagnéticos de luz o vacío y el tiempo.

"Alrededor de 2015, nuestros colegas, el profesor Alfred Leitenstorfer y su grupo, también de la Universidad de Konstanz, fueron los primeros en demostrar experimentalmente que las fluctuaciones de la luz en el vacío se pueden medir directamente, "Matthias Kizmann, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, dijo Phys.org. "Desde entonces, nos ha interesado desarrollar una nueva teoría para describir las fluctuaciones del vacío que tienen lugar durante períodos muy cortos. Esto nos llevó a la pregunta de si las fluctuaciones del vacío también podrían manipularse en períodos muy cortos para generar la llamada luz comprimida ".

En su papel los investigadores describen la interacción entre un campo fuerte llamado campo de "bomba", y el vacío electromagnético dentro de un cristal no lineal. Como resultado de esta interacción, el campo redistribuye las fluctuaciones del vacío en el tiempo, dando lugar a intervalos de tiempo en los que estas fluctuaciones se intensifican o reprimen. Este proceso se conoce como exprimir.

"Generalmente, hay que calcular todo el campo eléctrico para describir los efectos resultantes, pero ahora encontramos cómo describir la compresión como un cambio en el flujo del tiempo, "Explicó Kizmann." Los estados comprimidos pertenecen a una clase más amplia de los llamados estados de luz no clásicos. Este tipo de estados exhiben varias características nuevas y fascinantes en comparación con la luz láser más clásica. Como tal, los estados de luz no clásicos juegan un papel importante en el desarrollo de tecnologías futuras en el área de información cuántica o espectroscopia cuántica ".

Kizmann y sus colegas han recopilado observaciones interesantes que describen cómo la luz y el vacío están relacionados con el tiempo. Desarrollaron un modelo físico que se puede utilizar para describir los estados cuánticos del campo electromagnético tanto para la luz como para el vacío en escalas de tiempo ultracortas. Su artículo también describe cómo el campo electromagnético en el vacío, conocidas como fluctuaciones de vacío, puede ser manipulado.

Esencialmente, la luz se compone de ondas, o campos eléctricos y magnéticos oscilantes. En el siglo 19, la gente creía que en la oscuridad, estos campos son iguales a cero. Teoría cuántica, sin embargo, afirma que un espacio vacío oscuro, de hecho, no está completamente vacío, ya que contiene pequeñas fluctuaciones que provocan ligeros movimientos en los campos, conocidas como fluctuaciones de vacío. Se sabe que estas fluctuaciones se redistribuyen de una variable a otra (por ejemplo, de campos eléctricos a magnéticos), que es la compresión del vacío.

"Hemos estudiado cómo se pueden manipular las fluctuaciones del vacío en el tiempo y hemos descubierto que también podemos redistribuir las fluctuaciones de un momento a otro, "Guido Burkard, investigador principal del estudio, dijo Phys.org. "Resulta que el flujo de tiempo visto desde el pulso de luz se puede modificar en un material óptico no lineal, y este cambio en el flujo del tiempo está directamente relacionado con el cambio en las fluctuaciones ".

Las observaciones recopiladas por Kizmann, Burkard y sus colegas tienen algunas similitudes con la relatividad del tiempo en la teoría de la relatividad. En su papel trazan una analogía entre la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad, dos áreas de la física que los estudios anteriores a menudo han luchado por conciliar. Sus observaciones y la analogía que presentaron podrían, en última instancia, mejorar nuestra comprensión actual de la relación entre la física cuántica y la relatividad. Los investigadores también creen que los pulsos ultracortos de luz cuántica comprimida pronto podrían demostrarse y observarse en el laboratorio.

"Creemos que los estados de luz cuántica de duración de un minuto hasta un femtosegundo (10 ^-15 segundos) pronto se realizarán y caracterizarán experimentalmente, "Andrey Moskalenko, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Entonces pueden usarse como una nueva herramienta cuántica en espectroscopía ultrarrápida, procesos de sondeo en la materia en duraciones tan cortas. Esto daría acceso a una plétora de fenómenos ultrarrápidos actualmente ocultos pero muy importantes, que determinan las propiedades clave de nuevos dispositivos cuánticos ".

El estudio ofrece nuevos y fascinantes conocimientos sobre los estados cuánticos de la luz y el vacío, y su relación con el tiempo. La teoría que desarrollaron podría, en última instancia, facilitar el uso de estados cuánticos de luz dependientes del tiempo en aplicaciones de óptica cuántica e información cuántica. En su trabajo futuro, los investigadores planean explorar más este tema, investigando la relación entre los leves movimientos que ocurren en el vacío y un fenómeno llamado entrelazamiento cuántico.

"Tenemos curiosidad por saber cómo estas redistribuciones de fluctuaciones cuánticas se relacionan con el entrelazamiento cuántico, el fenómeno que alimenta las computadoras cuánticas y representa un recurso para la comunicación cuántica segura. ", Dijo Burkard." También nos gustaría saber cómo la medición (es decir, 'mirar') los campos de vacío influye en estas fluctuaciones, y cómo se pueden utilizar los estados comprimidos para la espectroscopia ultrarrápida ".

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