Un solo átomo es excitado por la luz láser y dispersa un fotón tras otro. Un filtro óptico elimina ciertos componentes de color de esta corriente de fotones individuales. Esto hace que los fotones restantes se conviertan en pares que salen del filtro simultáneamente. Crédito: Departamento de Física, Humboldt-Universität zu Berlin
Investigadores de la Universidad Humboldt de Berlín, socios del proyecto DAALI, demostraron un efecto sorprendente presente en la luz fluorescente de una sola átomo.
Los científicos dirigidos por Jürgen Volz y Arno Rauschenbeutel del Departamento de Física de la Universidad Humboldt de Berlín, socios del proyecto Disruptive Approaches to Atom-Light Interfaces (DAALI), han obtenido nuevos conocimientos sobre la dispersión de la luz por un átomo fluorescente, que También puede ser útil para la comunicación cuántica. El equipo de investigación ya ha publicado sus resultados en la revista científica Fotónica de la naturaleza.
En 1900, Max Planck planteó la hipótesis de que la luz no puede intercambiar cantidades arbitrarias de energía con materia, como un átomo, sino sólo ciertos «paquetes de energía» discretos llamados cuantos. Cinco años más tarde, Albert Einstein propuso que estos cuantos no eran una mera cantidad computacional, sino que la luz misma estaba formada por cuantos, que hoy llamamos fotones. De hecho, hoy en día existen fotodiodos que son lo suficientemente sensibles como para registrar una sola fotón. En caso de iluminación continua, estos no generan una señal eléctrica constante, sino una serie de breves impulsos de corriente. Cada pulso de corriente indica entonces la detección de un solo fotón.
Bajo la lupa: dispersión de la luz láser
Si la luz de un solo átomo, que es excitado hasta la fluorescencia mediante un rayo láser, incide en un fotodiodo tan sensible, nunca se detectarán dos fotones simultáneamente. En este sentido, la luz fluorescente de un solo átomo se diferencia de la luz láser con la que se excita, ya que en la luz láser los fotones aparecen simultáneamente. Pero si dos fotones láser chocan con un solo átomo al mismo tiempo, el átomo absorberá sólo un fotón y permitirá que el segundo pase a través. Posteriormente, el átomo irradiará el fotón láser absorbido en una dirección aleatoria y sólo entonces estará listo para absorber otro fotón láser.
En otras palabras, un solo átomo puede dispersar sólo un fotón a la vez, y los fotones de la luz fluorescente de un solo átomo golpean el detector como si estuvieran alineados como perlas en un collar. Esta propiedad se explora en el ámbito del proyecto DAALI y otras investigaciones sobre tecnologías cuánticas. Por ejemplo, en la comunicación cuántica se utilizan fotones individuales emitidos por átomos naturales o artificiales para una comunicación a prueba de interferencias.
Descubrimientos sorprendentes con pares de fotones
Sin embargo, el equipo de investigación de la Universidad Humboldt ha logrado demostrar un efecto muy sorprendente utilizando luz fluorescente de un solo átomo. Cuando los científicos eliminaron un determinado componente de color de la luz con la ayuda de un filtro, el flujo de fotones individuales se convirtió en pares de fotones que se detectaron simultáneamente.
Por lo tanto, al eliminar los fotones correctos de una corriente de fotones individuales, los fotones restantes aparecen repentinamente como pares. Este efecto no puede conciliarse con la percepción de nuestro mundo cotidiano; Si prohíbes la circulación de todos los coches ecológicos en una calle, los restantes no circularán repentinamente en parejas, uno al lado del otro.
Además, la certeza arraigada durante mucho tiempo de que un solo átomo sólo puede dispersar un fotón a la vez también parece haber sido refutada: cuando se mira a través del filtro de color correcto, el átomo es muy capaz de dispersar dos fotones al mismo tiempo.
Este efecto fue predicho hace unos 40 años por Jean Dalibard y Serge Reynaud de la ENS París en su trabajo teórico sobre la dispersión de la luz por los átomos. Sin embargo, sólo ahora lo ha demostrado experimentalmente el equipo de los físicos cuánticos Jürgen Volz y Arno Rauschenbeutel.
«Este es un maravilloso ejemplo de hasta qué punto falla nuestra intuición cuando intentamos tener una idea de cómo ocurren los procesos a nivel microscópico», dice Jürgen Volz.
“Sin embargo, esto es mucho más que una simple curiosidad”, añade Arno Rauschenbeutel. “De hecho, los pares de fotones generados están entrelazados mecánicamente cuánticamente. Por lo tanto, se produce una acción aterradora a distancia entre dos fotones en la que Einstein no quería creer y gracias a la cual es posible, por ejemplo, teletransportar estados cuánticos”.
«Que un solo átomo sea ideal como fuente para estos pares de fotones entrelazados», coinciden Volz y Rauschenbeutel, «es algo que casi nadie habría creído hasta hace poco».
De hecho, el efecto demostrado se presta a la realización de fuentes de pares de fotones entrelazados cuyo brillo alcanza el máximo teóricamente posible y, por tanto, supera a las fuentes existentes. Además, los pares de fotones corresponden inherentemente a los átomos de los que fueron emitidos. Esto permite que los fotones interactúen directamente con repetidores cuánticos o puertas cuánticas que utilizan los mismos átomos y son necesarios para la comunicación cuántica a larga distancia.
Referencia: “Sobre la dispersión simultánea de dos fotones por un solo átomo de dos niveles” por Luke Masters, Xin-Xin Hu, Martin Cordier, Gabriele Maron, Lucas Pache, Arno Rauschenbeutel, Max Schemmer y Jürgen Volz, 27 de julio de 2023, Fotónica de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41566-023-01260-7
