Los solitarios se convierten en pares: nuevos conocimientos sobre la dispersión de la luz en los átomos

Investigadores de la Universidad Humboldt de Berlín, socios del proyecto DAALI, han demostrado un sorprendente efecto presente en la luz fluorescente de un solo átomo

01.11.2023

Investigadores dirigidos por Jürgen Volz y Arno Rauschenbeutel del Departamento de Física de la Universidad Humboldt de Berlín, socios del proyecto DAALI, han obtenido nuevos conocimientos sobre la dispersión de la luz por un átomo fluorescente, que también podrían ser útiles para la comunicación cuántica. El equipo de investigadores ha publicado sus resultados en la revista científica Nature Photonics.

En 1900, Max Planck formuló la hipótesis de que la luz no puede intercambiar cantidades arbitrarias de energía con la materia, como un átomo, sino sólo ciertos "paquetes de energía" discretos llamados cuantos. Cinco años más tarde, Albert Einstein propuso entonces que estos cuantos no eran una mera cantidad computacional, sino que la propia luz estaba formada por cuantos, que ahora llamamos fotones. De hecho, hoy en día existen fotodiodos lo suficientemente sensibles como para registrar un solo fotón. Con una iluminación continua, no producen una señal eléctrica constante, sino una serie de impulsos cortos de corriente. Cada impulso de corriente indica entonces la detección de un único fotón.

Bajo la lupa: dispersión de la luz láser

Si la luz de un átomo excitado por un rayo láser incide en un fotodiodo de alta sensibilidad, nunca se detectarán dos fotones simultáneamente. En este sentido, la luz fluorescente de un solo átomo difiere de la luz láser con la que se excita, ya que los fotones sí se producen simultáneamente en la luz láser. Pero si dos fotones láser inciden al mismo tiempo sobre un átomo, éste absorberá sólo uno de ellos y dejará pasar el segundo. Posteriormente, el átomo irradiará el fotón láser absorbido en una dirección aleatoria, y sólo entonces estará preparado para absorber otro fotón láser.

En otras palabras, un solo átomo sólo puede dispersar 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 hilo. Esta propiedad se aprovecha en el proyecto DAALI y en otras investigaciones sobre tecnologías cuánticas. Por ejemplo, en la comunicación cuántica, los fotones individuales emitidos por átomos naturales o artificiales se utilizan para la comunicación a prueba de escuchas.

A través del filtro: los fotones individuales se convierten en pares

Sin embargo, el equipo de investigadores de la Universidad Humboldt ha podido demostrar ahora un efecto muy sorprendente utilizando la luz fluorescente de un solo átomo. Cuando los investigadores eliminaron un determinado componente de color de la luz con la ayuda de un filtro, el flujo de fotones individuales se transformó en pares de fotones que fueron detectados simultáneamente.

Así, al eliminar los correctos de un flujo de fotones únicos, los fotones restantes aparecen de repente como pares. Este efecto no puede conciliarse con la percepción de nuestro mundo cotidiano; si se prohíben todos los coches verdes de una calle, los restantes no circulan de repente en parejas unos junto a otros. Además, la certeza de que un átomo sólo puede dispersar un fotón a la vez también parece haber sido refutada: cuando se observa a través del filtro de color adecuado, el átomo es 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 de París, en sus trabajos teóricos sobre la dispersión de la luz por los átomos. Sin embargo, acaba de ser demostrado experimentalmente por el equipo dirigido por los físicos cuánticos Jürgen Volz y Arno Rauschenbeutel.

"Este es un ejemplo maravilloso de hasta qué punto nos falla la intuición cuando intentamos hacernos una idea de cómo ocurren los procesos a nivel microscópico", afirma Jürgen Volz. "Sin embargo, esto es mucho más que una simple curiosidad", añade Arno Rauschenbeutel. "De hecho, los pares de fotones generados están entrelazados desde el punto de vista de la mecánica cuántica. Así que existe la espeluznante acción a distancia entre los dos fotones en la que Einstein no quería creer y gracias a la cual se pueden teletransportar estados cuánticos, por ejemplo." "Que un solo átomo sea idóneo como fuente para tales pares de fotones entrelazados", coinciden Volz y Rauschenbeutel, "es algo que casi nadie hubiera creído hasta hace poco".

De hecho, el efecto demostrado se presta a realizar fuentes de pares de fotones entrelazados cuyo brillo alcance el máximo teóricamente posible y supere así a las fuentes existentes. Además, los pares de fotones coinciden intrínsecamente con los átomos desde los que fueron emitidos. Esto permite interconectar directamente los fotones con repetidores cuánticos o puertas cuánticas que utilizan los mismos átomos y son necesarios para la comunicación cuántica a larga distancia.

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Publicación original

Luke Masters, Xin-Xin Hu, Martin Cordier, Gabriele Maron, Lucas Pache, Arno Rauschenbeutel, Max Schemmer, Jürgen Volz; "On the simultaneous scattering of two photons by a single two-level atom"; Nature Photonics (2023)

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