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Filmada por primera vez la vida y muerte de un fotón

Toda una proeza que impulsará la creación de ordenadores cuánticos


Tras quince años de esfuerzos, un equipo de físicos franceses ha medido el estado de un fotón, o partícula cuántica de la luz, sin destruirlo. Gracias a una elaborada técnica, un único fotón ha podido ser atrapado dentro de una cavidad superconductora para observar, en tiempo real, su nacimiento, vida y muerte durante un intervalo de tiempo de segundos. Este experimento abre la posibilidad a extraer repetidamente información del mismo fotón, que de esta forma podría compartir su información con un conjunto de átomos y conformar un “entrelazamiento cuántico” de luz o materia que es la base de los ordenadores cuánticos. Por Yaiza Martínez.


Yaiza Martínez
Escritora, periodista, y Directora de Tendencias21. Saber más del autor



La caja de fotones del experimento. CNRS.
La caja de fotones del experimento. CNRS.
Tras quince años de esfuerzos, un equipo de físicos del Laboratoire Kastler-Brossel de la École Normale Supérieure de París ha conseguido una auténtica proeza: medir el estado de un fotón, o partícula cuántica de la luz, sin destruirlo.

Uno de los artífices de este logro científico, el profesor Serge Haroche, de dicha escuela, explicó el pasado 10 de mayo en la Fondation Del Duca, del Insitut de France, cómo él y sus colaboradores, Jean-Michel Raimond y Michel Brune, entre otros, manipularon y controlaron un solo átomo y fotones individuales que interactuaron en una cavidad, que consistía en una caja formada por paredes altamente reflectantes.

Los sistemas cuánticos microscópicos tienen la característica de “saltar” de un estado cuántico a otro de una forma que aún no ha sido del todo comprendida por su rareza y aparente falta de lógica. Los físicos, sin embargo, habían conseguido hasta el momento detectar los saltos cuánticos de átomos, electrones, iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) y otras partículas, pero no habían podido “ver” los fotones, que normalmente son destruidos cuando llegan a ser detectados.

Ahora, gracias a una elaborada técnica, descrita en la revista Nature, un único fotón ha podido ser atrapado dentro de una cavidad superconductora para observar, en tiempo real, su nacimiento, su vida y su muerte durante un intervalo de tiempo de segundos.

Electrodinámica cuántica en cavidades

La proeza se ha basado en la llamada electrodinámica cuántica en cavidades, que es un campo de la óptica cuántica que permite instalar en cavidades pequeñas los átomos y los fotones, que en estas condiciones muestran un comportamiento distinto del que ofrecen en el espacio libre, ilustrando, en tal caso, ciertos principios de la física cuántica que permitirán el desarrollo de nuevos sensores, entre otras aplicaciones.

Estudiando el comportamiento de estos átomos y fotones en este entorno protegido, los físicos han podido ilustrar aspectos fundamentales de la teoría cuántica, como la superposición, la complementariedad y la decoherencia, informa la revista IOP, del Instituto de Física.

La superposición cuántica es la aplicación del llamado principio de superposición a la mecánica cuántica, y ocurre cuando un objeto posee simultáneamente dos o más valores de una cantidad observable, como la posición o la energía de una partícula. Este fenómeno fue representado por el físico Erwin Schrödinger en 1935 con el bien conocido ejemplo del gato de Schrödinger.

El principio de complementariedad, por su parte, supone que los sistemas cuánticos muestran características y propiedades “complementarias” que no pueden determinarse de manera simultánea (por ejemplo: el carácter onda-partícula, o la pareja de magnitudes posición-velocidad). Y, por último, la decoherencia sería la consecuencia inevitable del enredo incontrolable que tienen todos los sistemas físicos con su ambiente, tal y como explicó Dieter Zeh en una entrevista concedida a Tendencias21.

Fotones elusivos

Un fotón generalmente no es observable porque desaparece cuando se encuentra. El ojo, como la mayoría de los receptores de luz (denominados fotorreceptores electrónicos), absorben irremisiblemente los fotones que detecta y, por tanto, la información que porta la luz es destruida a medida que ésta se registra.

Por tanto, al intentar observarlos, estos fotones se “escapan”, de manera imprevisible y repentina, realizando un salto cuántico (es decir, cambiando de estado cuántico). Sin embargo, los científicos franceses han logrado, por vez primera, registrar en directo sus vidas, señala por su parte el CNRS (el Centre National de la Recherche Scientifique de Francia).

La clave de este experimento ha sido dicha cavidad, que está formada por dos espejos superconductores que fueron enfriados a una temperatura próxima al cero absoluto. Entre los espejos, situados uno frente a otro a una distancia de 2,7 centímetros, un fotón procedente de una radiación térmica residual rebotó más de un billón de veces antes de desaparecer, esto es, viajando una media del trayecto equivalente a la circunferencia de la Tierra.

Habitualmente, los fotones son detectados por absorción atómica. Un átomo puede existir en diversos estados de energía y puede absorber un fotón pasando así de un estado a otro de energía superior. Midiendo la variación de la energía de estos átomos que atraviesan la cavidad, se puede saber si contienen o no un fotón, pero se destruiría y no podría detectarse más que una vez.

Astucia y logros

La astucia de los investigadores ha sido elegir unos átomos cuya transición entre dos estados (0 y 1) energéticos se correspondían a una energía diferente de la de los fotones. La conservación de la energía es imposible cuando el átomo absorbe la luz. Por el contrario, la presencia del fotón modifica ligeramente la frecuencia de la transición atómica (medida con la ayuda de un campo de micro-ondas auxiliar presente en el exterior de la cavidad).

Por tanto, el átomo alcanza el estado 1 si la cavidad contiene un fotón y permanece en el estado 0 si ésta está vacía, como en el método clásico, pero en este caso la energía lumínica absorbida por el átomo es rastreada por dicho campo auxiliar en lugar de por la cavidad.

Así, los investigadores pudieron registrar numerosas secuencias de varios segundos durante las cuales los miles de átomos que atravesaron la cavidad fueron detectados en estado 0 (no habiendo absorbido fotones) ó 1 (habiéndolos absorbidos). Así pudieron saber cuándo un fotón había quedado atrapado entre los espejos, procedentes de la radiación térmica que hemos mencionado.

La permanencia de los fotones en la cavidad duraba una media de un décimo de segundo, pero en algunas secuencias el fotón sobrevivió más tiempo, incluso hasta medio segundo. Después, desaparecían repentinamente, dejando de nuevo vacía la cavidad.

Los momentos en que los fotones aparecían y desaparecían revelaron los saltos cuánticos de la luz que se producen por azar. Observando estos saltos durante varias horas, los investigadores consiguieron verificar de manera directa las propiedades estadísticas de las radiaciones térmicas establecidas hace un siglo por Planck y Einstein.

En el experimento, la información transportada por un cuanto de luz es transferida cientos de veces a un sistema material sin perderse. El mismo fotón controla el estado de un gran número de átomos, lo que supone un paso importante hacia el tratamiento cuántico de la información.

Imagen de un fotón
Imagen de un fotón
Información cuántica

Este logro aparentemente sencillo ha sido descrito por Le Figaro como “primicia mundial”. El haber podido observar el fotón y sus múltiples repeticiones antes de ser destruido abre posibilidades de aplicación para la fabricación de los futuros ordenadores cuánticos, que, gracias a la física cuántica, que permite a las partículas estar en dos sitios a la vez, posibilitarían cálculos mucho más complejos que los ordenadores actuales.

La presente investigación estaría relacionada con la física de la información cuántica, un nuevo dominio que se encuentra en la frontera de las ciencias de la información y de la física y que intenta utilizar la “lógica” del mundo cuántico para materializar tareas en comunicación y computación que los dispositivos clásicos no pueden realizar.

Tal y como explicó el professor Haroche en su conferencia, durante el siglo XX la física cuántica ha permitido desarrollar tecnologías que han cambiado nuestras vidas (como el ordenador o la resonancia magnética o láser, entre muchas otras). Pero este campo de la física sigue conteniendo aspectos que desafían al sentido común y que aún hoy continúan provocando una enorme inquietud en los especialistas.

Los resultados de este nuevo experimento implican la posibilidad de extraer repetidamente información del mismo fotón, lo cual es extremadamente importante puesto que la mayor parte de toda la información que obtenemos del universo procede de la luz. Un fotón podría compartir por tanto su información con un conjunto de átomos y conformar un “entrelazamiento cuántico” de luz o materia, señala Haroche.

El intento de controlar los sistemas cuánticos da lugar a importantes preguntas sobre la transición entre el comportamiento cuántico y el macroscópico de la materia y de la realidad pero, también, la oportunidad de generar dispositivos cuánticos de comunicación, aseguran los científicos.

El ordenador cuántico

Tal y como explica el CNRS, los ordenadores cuánticos utilizarían esta “lógica” cuántica para que cada unidad base (bit, 1 ó 0) de información se convirtiera en una superposición de dos estados (1 y 0 a la vez). Es la unidad de información que ya se denomina qubit (que se diferencia del bit clásico en que puede asumir el 1 y el 0, no únicamente el 1 ó 0. Un estado qubital es, pues, la superposición cuántica de esos dos estados).

Reunidos miles de qubits, éstos podrían comunicarse entre sí y realizar cálculos que actualmente realizan los ordenadores normales pero todos al mismo tiempo, lo que aumentaría la velocidad de cálculo de manera exponencial.

Hasta ahora, estos ordenadores no han pasado aún del terreno de lo teórico, pero ya hemos hablado en Tendencias21 de algunos intentos prometedores. La investigación actual, al aclarar aún más el funcionamiento de los estados cuánticos, da un paso adelante en su consecución.


Sábado, 19 de Mayo 2007
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Nota



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1.Publicado por luigi el 22/05/2007 04:50
Resulta destacable esta noticia y creo un gran avance en la física cuántica, con además una aplicación en la física aplicada y dado que
Los fotones pueden producirse en diversos estados:
Saltos de los electrones entre orbitales atómicos
Transiciones cuánticas entre los modos de rotación o vibración de una molécula.
Transiciones de modos cuánticos en la red cristalina.
Cualquier fluctuación de un campo electromagnético que dé lugar a radiación electromagnética (por ejemplo la radiación de ciclotrón).
La radiación más intensa se produce en procesos de tipo nuclear:
Transiciones nucleares
Aniquilación partícula-antipartícula
En el vacío los fotones se mueven, por definición, a la velocidad de la luz, que es de 299.792.458 m/s. Esta velocidad suele denotarse por la letra c en física. En otros medios su velocidad es inferior, dependiendo, en general la disminución de velocidad, de la frecuencia de la radiación asociada. Por eso es un error decir que la luz viaja a 300.000.000 m/s, y otro error es decir que viaja a esa velocidad en otros medios.fuente wikipedia.-
Haber capturado lo expuesto en este artículo, resulta sorprendente.-saludos.-ciencia cosmo global.-

2.Publicado por Luchetti el 01/08/2008 18:54




Fotones y Mente cuántica:




Cuando leemos el diario -por la mañana-, o cuando compramos una revista,
y vemos allí ideas y pensamientos que ya teníamos desde antes, y que se
han actualizado, o que han sido desarrolladas por otros... O cuando miramos
la tevé y, alguien dice, desde la pantalla, las mismas palabras que escuchamos
hace un rato, o ayer, entonces...., recién entonces comenzamos a comprender
a los "fotones" y su inserción en la vida cotidiana. No pensamos, captamos fotones
y ellos nos traen la información, "desde otros soportes". Los símbolos que utilizamos
para pensar, escuchar, leer y escribir, son la física de los fotones jugando con los
átomos del sistema neural. La energía eléctrica biológica que transforma la visión
del mundo en "símbolos" y lenguaje, obedece a la intención de poner orden en el caos,
que es la función principal de nuestro cerebro. Bajo este paradigma, el cerebro puede
ser definido como aquel artefacto creado por el universo, para transformar fotones en
"símbolos". Desde esta física simbólica, mañana, al mirar y escuchar, veamos y
pensemos en la danza fotónica de los sucesos y del lenguaje, en paralelo. Hagamos
la prueba de equiparar energía y palabras. Van a ver... Chau, gracias.

3.Publicado por anderson ojeda el 26/07/2009 08:08
me parece muy bien desde el punto que parto por que soy fisico y no ceo que nada sea absoluto,bien cuando dijo que nada es absoluto me refiero a que todo depende de que cristal lo estes midiendo................¿¿¿¿????

4.Publicado por A. Robles el 11/09/2011 19:20
Materia Obscura? me pregunto si toda la LUZ es decir RAYOS X, radiacion INFRAROJA, MICROONDAS,
todo lo que emite una estrella, cuando no la detectamos (VEMOS) porque incide o pasa a un metro de
nuestros ojos (DETECTORES) o a una pulgada, o a un centimetro, es decir podemos ver una estrella
no importa que nos desplacemos un metro, un kilometro o miles de kilometros, esto me hace inferir
que no existe ni un milimetro en el universo que no este lleno de la LUZ emitida por la estrella, o
ESTRELLAS es decir no existe el vacio al menos hasta donde haya LUZ, Pregunta
no sera esta la MATERIA OBSCURA y/o ENERGIA OBSCURA que andan buscando y le llamamos
obscura solo porque estamos viendo en la direccion hacia donde esta se dirige. es decir no la enfrentamos y por lo tanto no la podemos detectar ? como se podria detectar la LUZ que pasa perpendicular
a nuestra direccion de observ acion?
Gracias por leer mi comentario, habra alguien por ahi que le interese mi loca conjetura.

5.Publicado por Aurelio Grande el 12/09/2011 00:57
Si Robles, algo de lo que nos decís tiene mucho sentido, y lo que se describe en el artículo no está para nada claro; cosa que en esta misma nota ya está insinuado como un principio de incertidumbre empírica. Para poder percibir la luz es necesario que actue sobre un sistema sensible, que reciba un impulso mediente la absorción de la energía en movimiento, que desde luego, más allá del fenómeno específico habrá de seguir el proceso correspondiente al desarrollo de su duración; esto quiere decir, que si para ver o percibir un cuanto de energía que se mueve de un punto a otro, deberemos a su vez, utilizar tambien una señal de la misma naturaleza - en consecuencia el experimento no se describe con la claridad necesaria; es que utilizar luz para observarla suena por lo menos contradictorio (por lo que al vacío respecta, es un asunto que desde e experimento de Michelson, todavía está pendiente su resolución definitiva).
Saludos

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