Tendencias21
Haces de luz entrelazados parecen alcanzar velocidades imposibles

Haces de luz entrelazados parecen alcanzar velocidades imposibles

La combinación del entrelazamiento cuántico con las propiedades de refracción de la luz en materiales ‘de luz rápida’ permite observar cosas aparentemente increíbles, como que las señales parezcan ir más rápido que la luz en el vacío, aunque eso se debe a los efectos del ‘ruido cuántico’. Un experimento de la Universidad de Maryland ha observado estos extraños fenómenos.

Haces de luz entrelazados parecen alcanzar velocidades imposibles

El best-seller de Michael Lewis Flash Boys describe cómo algunos corredores de Bolsa, que realizan trading de alta frecuencia, aprovechan las telecomunicaciones rápidas para ganar ventajas de una fracción de segundo en la compra y venta de acciones. Pero usted no necesita tener miles de millones de dólares moviéndose en estas transacciones para apreciar la importancia del procesamiento rápido de señales. Desde Internet hasta la transmisión de vídeo en directo, queremos que las cosas vayan rápido.

Paul Lett y sus colegas del Instituto Joint Quantum, de la Universidad de Maryland (EE.UU.), se especializan en la producción de rayos modulados de luz para codificar información. No han encontrado una manera de mover los datos más rápido que c, la velocidad de la luz en el vacío, pero en un nuevo experimento han visto cómo la luz que viaja a través de los llamados materiales de luz rápida parecen avanzar más rápido que c, al menos en un sentido limitado. Sus resultados han sido publicados en la revista Nature Photonics.

Para ver cómo la luz puede ser manipulada de esta manera hace falta una mirada a varios conceptos clave, tales como el entrelazamiento, la información mutua y la dispersión anómala.

Entrelazamiento variable continuo

Muchas investigaciones del Joint Quantum Institute (JQI) están dedicadas al procesamiento de información cuántica, la información codificada en forma de qubits. Los qubits son sistemas cuánticos pequeños -a veces electrones atrapados en un semiconductor, a veces átomos o iones reteneidos en una trampa- mantenidos en una superposición de estados.

La utilidad de los qubits aumenta cuando dos o más de ellos son vinculados entre sí en una disposición cuántica más grande, un proceso conocido como entrelazamiento. Dos fotones entrelazados no son realmente partículas soberanas sino partes de una sola entidad cuántica.

La base del entrelazamiento es a menudo una variable discreta, como el spin del electrón (cuyo valor puede ser arriba o abajo) o la polarización de fotones (por ejemplo, horizontal o vertical). La esencia del entrelazamiento es la siguiente: mientras que la polarización de cada fotón es indeterminada hasta que se toma una medida, una vez que se mide la polarización de uno de los dos fotones entrelazados, se conoce automáticamente la polarización del otro fotón.

Pero el modo de entrelazamiento también puede ser ejercido por una variable continua. En el laboratorio de Lett, por ejemplo, dos haces de luz enteros pueden entrelazarse. Aquí la variable operativa no es la polarización, sino la fase (en qué posición del ciclo de la onda están) o la intensidad (la cantidad de fotones que hay en el haz). Para un haz de luz, la fase y la intensidad no son discretos (arriba o abajo), sino que varían de forma continua.

Información cuántica mutua

Los biólogos, examinando hebras descosidas de ADN, pueden (gracias a la naturaleza correlacionada de los ácidos nucleicos que las forman) deducir la secuencia de bases de una cadena mediante el examen de la secuencia de la otra cadena. Lo mismo ocurre con los haces entrelazados. Una ligera fluctuación de la intensidad instantánea de un haz (tales fluctuaciones son inevitables debido al principio de incertidumbre de Heisenberg) será imitada por una fluctuación similar en el otro haz.

Lett y sus colegas consiguen haces entrelazados en un proceso llamado mezcla de cuatro ondas. Un haz láser (haz de bombeo) entra en una célula llena de vapor. Ahí, dos fotones del haz de bombeo se convierten en dos fotones hijos que siguen adelante, con diferentes energías y direcciones.

Estos fotones constituyen haces por sí mismos, uno llamado el haz de sondeo, el otro llamado el haz conjugado. Ambos haces son demasiado débiles para ser medidos directamente. En vez de eso, cada haz entra en un divisor de haz (disco amarillo en la imagen), donde su luz se puede combinar con la luz de un oscilador local (que también sirve como referencia de fase). Los patrones de interferencia resultantes proporcionan la fase agregada o la información de intensidad de los dos haces.

Cuando el entrelazamiento de haces es perfecto, la correlación mutua es 1. Cuando estudiar las fluctuaciones de intensidad de un haz no dice nada acerca de las del otro, entonces la correlación mutua es 0.

Haces de luz entrelazados parecen alcanzar velocidades imposibles

Material de ‘luz rápida’

En un famoso experimento, Isaac Newton mostró cómo la luz solar entrante se partía en un espectro de colores cuando pasaba a través de un prisma. El grado de dispersión dependiente de la longitud de onda de un material, que es la que provoca esta división de colores, se conoce como su índice de refracción.

En la mayoría de los materiales el índice es mayor que 1. Para el cristal de una ventana normal, es de aproximadamente 1,4; para el agua es 1,33 para la luz visible, y aumenta gradualmente a medida que la frecuencia de la luz crece. A una frecuencia mucho más alta (equivalente a una longitud de onda más corta), sin embargo, el índice puede cambiar su valor bruscamente, pero hacia abajo (es decir, provocando que la luz vaya más rápido).

Para el vidrio, eso se produce en longitudes de onda ultravioletas, por lo que no normalmente no se ve ese efecto de «dispersión anómala». En un vapor caliente de átomos de rubidio, sin embargo, y especialmente cuando se modifica con luz láser, el efecto puede ocurrir en longitudes de onda infrarrojas, y aquí es donde se fija el experimento de JQI.

En la figura se puede observar que el haz conjugado es enviado a través de una segunda célula, llena de vapor de rubidio. Aquí el haz sufre dispersión. El experimento JQI pretende estudiar cómo se mantiene el entrelazamiento de esta viga conjugada con el haz de sondeo (que no está sujeto a ninguna dispersión).

Cuando la refracción es «normal » -es decir , cuando el índice de refracción provoca dispersión ordinaria- la señal de luz se hace más lenta en comparación con el haz que no sufre dispersión. En estas condiciones, la célula se conoce como material «de luz lenta». Cuando, sin embargo, la frecuencia es la adecuada, el haz conjugado sufre la dispersión anómala. Cuando los diferentes componentes de frecuencia que constituyen un pulso o fluctuación de intensidad se reformulan a sí mismos a medida que emergen de la célula, estarán sólo un poco por delante de un pulso que no haya pasado a través de la célula. (Para realizar una medición apropiada del retardo se necesitan dos haces entrelazados: haces cuyas fluctuaciones estén relacionadas.)

Causalidad

Los investigadores de JQI no están diciendo que haya alguna información que viaje más rápido que c. La figura muestra que el pico de la información mutua para el material de luz rápida está, en efecto, por delante de los picos comparables para un haz no dispersado o para un haz que emerge de un material de luz lenta. Resulta que el coste de lograr la dispersión anómala es que se necesita una ganancia adicional (amplificación), y eso crea ruido en la señal.

Esta limitación inherente a la extracción de información útil a partir de un haz de luz entrante es aún más pronunciada con haces que contienen (en promedio) uno o menos-de-un fotón. Dichos haces diluidos son deseables en muchos experimentos cuánticos donde es importante el control de medición o el almacenamiento o el retraso de la información cuántica.

«Hicimos estos experimentos no para intentar violar la causalidad», explica Paul Lett en la nota de prensa recogida por EurekAlert!, «sino porque queríamos ver la manera básica en que el ruido cuántico «fuerza» la causalidad, y trabajar cerca de los límites del ruido cuántico también nos permite examinar las diferencias en cierto modo sorprendentes entre los materiales de luz lenta y los de luz rápida cuando se trata de transportar información.»

Referencia bibliográfica:

Jeremy B. Clark, Ryan T. Glasser, Quentin Glorieux, Ulrich Vogl, Tian Li, Kevin M. Jones, Paul D. Lett. Quantum mutual information of an entangled state propagating through a fast-light medium. Nature Photonics (2014). DOI: 10.1038/nphoton.2014.112

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • Resuelto el misterio de una criatura marina con un caparazón repleto de ojos 18 marzo, 2024
    Los quitones o chitones son moluscos marinos dotados de pequeños ojos desperdigados por todo su caparazón, con lentes confeccionados con un mineral llamado aragonita. Estos primitivos órganos sensoriales son capaces de distinguir formas y luz: un nuevo estudio ha revelado por qué evolucionaron tan rápidamente y cuál es su papel en el desarrollo de los […]
    Pablo Javier Piacente
  • La mayor erupción volcánica de la era geológica actual ocurrió en Japón hace 7.300 años 18 marzo, 2024
    Un estudio detallado de los depósitos volcánicos submarinos alrededor de la caldera Kikai, en Japón, descubrió que un evento que tuvo lugar en esa región de Asia hace 7.300 años fue, con claridad, la mayor erupción volcánica registrada en el planeta durante el Holoceno, la época geológica actual iniciada hace aproximadamente 11.500 años.
    Pablo Javier Piacente
  • Las enfermedades neurológicas ya son el primer problema de salud mundial 18 marzo, 2024
    El 43% de la población mundial padece enfermedades neurológicas: afectan a 3.400 millones de personas y cuestan la pérdida de 443 millones de años de vida saludable. España supera en un 18% la media mundial de afectados por patologías que van desde dolores de cabeza tensionales hasta accidentes cerebrovasculares.
    Redacción T21
  • La Inteligencia Artificial aprende lo que significa estar vivo 18 marzo, 2024
    La IA ha descubierto en seis semanas unas células que la ciencia había tardado 134 años en identificar. Puede que haya tropezado también con un tipo de célula totalmente desconocida. ¿Qué va a pasar con los biólogos humanos?
    Eduardo Martínez de la Fe
  • Las ranas les guiñan el ojo a los machos elegidos para el apareamiento 17 marzo, 2024
    Un curioso estudio ha descubierto que las ranas les guiñan el ojo al macho para indicarle que le gusta. En respuesta al parpadeo, el macho lanza repetidamente un grito entrecortado y salta junto a ella para aparearse.
    N+1/T21
  • Los perros son nuestros terapeutas de cuatro patas 16 marzo, 2024
    Investigadores de Corea del Sur colocaron auriculares con electrodos a 30 adultos y luego midieron los cambios en sus ondas cerebrales mientras interactuaban con un caniche llamado Aro. Los resultados indicaron que pasear al perro hizo que los participantes se sintieran más relajados, cepillarle mejoró la concentración y jugar con la mascota produjo ambos efectos.
    Redacción T21
  • Revelado el “piercing” del Neolítico 15 marzo, 2024
    Los arqueólogos han descubierto una colección de artefactos decorativos con forma de tachuelas, que podrían utilizarse en las modernas perforaciones de labios. Identificados en las tumbas de un asentamiento neolítico en el sureste de Turquía, representan los primeros ejemplos convincentes de perforaciones corporales voluntarias, como las que se realizan en la actualidad para la práctica […]
    Pablo Javier Piacente
  • Es urgente limitar a la IA para evitar el apocalipsis de nuestra civilización 15 marzo, 2024
    Un nuevo informe elaborado por la firma Gladstone por pedido del Departamento de Estado de los Estados Unidos advierte que la rápida evolución de la Inteligencia Artificial (IA) podría representar un riesgo "catastrófico" para la seguridad nacional e incluso para toda la humanidad. El documento sugiere que el gobierno estadounidense debe actuar "rápidamente y con […]
    Pablo Javier Piacente
  • La fibra óptica inteligente se despliega por el fondo del mar 15 marzo, 2024
    Una nueva fibra óptica asistida por IA se está desplegando en el fondo del mar no solo para la transmisión de datos, sino también para alertar en tiempo récord de tsunamis o terremotos y para monitorizar el calentamiento de los océanos.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • Una extraña formación rocosa en África esconde en sus entrañas la evidencia de los terremotos más antiguos de la Tierra 14 marzo, 2024
    Las grandes cantidades de ceniza volcánica encontradas en el cinturón de piedras verdes de Barberton, en África, pueden ser un registro antiguo de violencia volcánica similar a la que puede observarse actualmente en la Tierra, según un nuevo estudio. Además de demostrar que en los inicios de nuestro planeta los terremotos estuvieron más presentes de […]
    Pablo Javier Piacente