Flauta de Hamelín cuántica para controlar partículas de luz
8 de julio de 2022
Un grupo de físicos de la Universidad de Chicago -EE. UU.- ha inventado una "flauta cuántica" que, así como la de Hamelín, puede obligar a las partículas de luz a moverse juntas de una forma que nunca antes se había visto.
Descrito en dos estudios publicados en Physical Review Letters y Nature Physics, el avance podría señalar el camino hacia la realización de memorias cuánticas o nuevas formas de corrección de errores en computadoras cuánticas, además de la observación de fenómenos cuánticos que no se pueden ver en la naturaleza.
Los investigadores trabajaron con bits cuánticos -equivalente cuántico de un bit de computadora- que aprovechan las extrañas propiedades de las partículas a nivel atómico y subatómico para hacer cosas que de otro modo serían imposibles.
Una herramienta similar a una flauta
En este experimento se usaron partículas de luz conocidas como fotones. La herramienta que los expertos idearon consiste en una cavidad larga hecha en un solo bloque de metal diseñada para atrapar fotones en frecuencias de microondas. La cavidad se hace perforando orificios compensados, como los orificios de una flauta.
"Al igual que en el instrumento musical, puedes enviar una o varias longitudes de onda de fotones a través de todo el conjunto, y cada longitud de onda crea una 'nota' que puede usarse para codificar información cuántica", explicó David Schuster, principal investigador de la investigación.
Un comportamiento extraño
Los científicos pudieron controlar las interacciones de las "notas" utilizando un bit cuántico maestro, un circuito eléctrico superconductor. No obstante, su descubrimiento más extraño fue la forma en que los fotones se comportaban juntos.
En la naturaleza, los fotones casi nunca interactúan, simplemente pasan unos a través de otros. Con una preparación minuciosa, los científicos a veces pueden provocar que dos fotones reaccionen ante la presencia del otro.
"Aquí hacemos algo aún más extraño. Al principio, los fotones no interactúan en absoluto, pero cuando la energía total en el sistema alcanza un punto de inflexión, de repente, todos están hablando entre sí", agregó Schuster.
Todos los fotones "interactuando al mismo tiempo"
Tener tantos fotones "hablando" entre sí en un experimento de laboratorio es extremadamente extraño, similar a ver a un gato caminando sobre sus patas traseras.
"Normalmente, la mayoría de las interacciones de partículas son de uno a uno: dos partículas que rebotan o se atraen entre sí. Si se agrega un tercero, por lo general, todavía interactúan secuencialmente con uno u otro, pero este sistema los tiene a todos interactuando al mismo tiempo", subrayó el físico.
En búsqueda de fenómenos físicos complejos
Sus experimentos solo probaron hasta cinco "notas" a la vez, pero los científicos se imaginan ejecutando cientos o miles de notas a través de un solo qubit para controlarlas. Con una operación tan compleja como una computadora cuántica, los ingenieros quieren simplificar todo lo que puedan.
"Si quisieras construir una computadora cuántica con 1,000 bits y pudieras controlarlos a todos a través de un solo bit, eso sería increíblemente valioso", destacó Schuster.
Los investigadores también están entusiasmados con el comportamiento en sí: nadie ha observado nada parecido a estas interacciones en la naturaleza, por lo que también esperan que el hallazgo pueda ser útil para simular fenómenos físicos complejos que ni siquiera se pueden ver aquí en la Tierra, incluida quizás parte de la física de los agujeros negros.
JU (dpa, news.uchicago.edu, nature.com)