Las partículas a veces pueden actuar como ondas, y los fotones (partículas de luz) no son una excepción. Así como las ondas crean un patrón de interferencia, como ondas en un estanque, también los fotones. Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han logrado una nueva e importante hazaña:crear una extraña interferencia "cuántica" entre dos fotones de colores marcadamente diferentes. provenientes de diferentes edificios en el campus de la Universidad de Maryland.

El experimento es un paso importante para las futuras comunicaciones cuánticas y la computación cuántica. que potencialmente podría hacer cosas que las computadoras clásicas no pueden, como romper poderosos códigos de encriptación y simular el comportamiento de nuevos fármacos complejos en el cuerpo. La interferencia entre dos fotones podría conectar procesadores cuánticos distantes, habilitando una red informática cuántica similar a Internet.

El uso de fotones que originalmente tenían diferentes colores (longitudes de onda) es importante porque imita la forma en que funcionaría una computadora cuántica. Por ejemplo, los fotones de luz visible pueden interactuar con los átomos atrapados, iones u otros sistemas que sirven como versiones cuánticas de la memoria de la computadora, mientras que los fotones de longitud de onda más larga (infrarrojo cercano) pueden propagarse a largas distancias a través de fibras ópticas.

Así como las computadoras clásicas necesitaban formas confiables de transmitir, almacenar y procesar electrones antes del complejo, la informática en red era posible, el resultado del NIST acerca el intercambio de información de computación cuántica a un paso importante más cerca de la realidad.

En su estudio, una colaboración entre NIST y el Laboratorio de Investigación del Ejército, Los físicos e ingenieros de los edificios adyacentes de la Universidad de Maryland crearon dos fuentes diferentes y separadas de fotones individuales. En un edificio se solicitó a un grupo de átomos de rubidio que emitiera fotones individuales con una longitud de onda de 780 nanómetros, en el extremo rojo del espectro de luz visible. En el otro edificio, 150 metros de distancia, se indujo a un ión de bario atrapado para que emitiera fotones con una longitud de onda de 493 nanómetros, casi un 40 por ciento más corta, hacia el extremo azul del espectro.

Luego, los investigadores tuvieron que convertir los fotones azules en tonos muertos para los rojos. Para hacer esto, Alexander Craddock, Trey Porto y Steven Rolston del Joint Quantum Institute, una asociación entre NIST y la Universidad de Maryland, y sus colegas mezclaron los fotones azules con luz infrarroja en un cristal especial. El cristal utilizó la luz infrarroja para convertir los fotones azules en una longitud de onda que coincidiera con los rojos en el otro edificio mientras conservaba sus propiedades originales. Solo entonces el equipo envió los fotones a través de una fibra óptica de 150 metros para encontrarse con los fotones rojos casi idénticos en el otro edificio.

Los fotones eran tan similares que no fue posible diferenciarlos en la configuración experimental. Los fotones individuales normalmente actúan independientemente unos de otros. Pero debido a la peculiar naturaleza cuántica de la luz, cuando dos fotones indistinguibles interfieren entre sí, sus caminos pueden correlacionarse, o dependientes unos de otros. Esta correlación cuántica se puede utilizar como una herramienta poderosa para la informática.

Bastante seguro, los investigadores observaron esta correlación cuando los pares de fotones producidos por separado se cruzaban. Los pares de fotones pasaron a través de un componente óptico conocido como divisor de haz, que podría enviarlos en uno de dos caminos. Actuando solo cada fotón haría lo suyo y tendría una probabilidad de 50 a 50 de atravesar cualquiera de los dos caminos. Pero los dos fotones indistinguibles se superpusieron como ondas. Debido a su extraña interferencia cuántica, permanecieron juntos y siempre siguieron el mismo camino. Uniendo estos fotones una vez independientes en la cadera, este efecto de interferencia puede potencialmente realizar muchas tareas útiles en el procesamiento de información cuántica.

Los investigadores informaron sus hallazgos en línea en una edición reciente de Cartas de revisión física .

Se produciría una conexión directa con la computación cuántica si el patrón de interferencia está vinculado a otra extraña propiedad de la mecánica cuántica conocida como entrelazamiento. Este fenómeno ocurre cuando dos o más fotones u otras partículas se preparan de tal manera que la medición de una propiedad particular, por ejemplo, momentum - de uno determina automáticamente la misma propiedad del otro, incluso si las partículas están muy separadas. El entrelazamiento se encuentra en el corazón de muchos esquemas de información cuántica, incluida la computación cuántica y el cifrado.

En el experimento del equipo, los dos fotones no se enredaron con los sistemas que los generaron. Pero en estudios futuros, dijo Porto, Debería ser relativamente fácil entrelazar los fotones rojos con el grupo de átomos de rubidio que los produjo. Similar, los fotones azules podrían enredarse con el ión atrapado que los produjo. Cuando los dos fotones interfieren, esa conexión transferiría el entrelazamiento entre los átomos de fotón-rubidio rojo y el ion-fotón azul para convertirse en un entrelazamiento entre los átomos de rubidio y el ión atrapado.

Es esta transferencia de entrelazamiento, esta transferencia de información, la que subyace al potencial enorme poder de las computadoras cuánticas, Porto señaló.