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Ciencia

Partículas gemelas

Investigadores de la UFRJ renuevan experimento de la física cuántica con fotones

RODRIGO QUEIROZ En el experimento de óptica cuántica, la luz parece regresar en el tiempoRODRIGO QUEIROZ

Físicos del Río de Janeiro han creado un nuevo método para llevar adelante un experimento en el cual un haz de luz parece efectuar un viaje al pasado. Para desorganizar la trayectoria de la luz, en lugar de los papeles y gases especiales – utilizados desde que el experimento fue creado, al final de los años 60 -, los investigadores utilizaron dos fuentes de láser y un cristal. Divulgado en septiembre del año pasado en un artículo de la Physical Review Letters, el nuevo experimento marca la entrada en escena de un grupo creado hace tres años que el año pasado publicó otros dos artículos en revistas de primer nivel.

Más que la recreación del experimento, el grupo del laboratorio de óptica cuántica del Instituto de Física de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) mostró cómo se debe lidiar con los fotones enmarañados, dos partículas de luz que mantienen una conexión singular, como si fueran gemelos con capacidad telepática: lo que sucede con una partícula sucede con la otra, aunque estén a millones de kilómetros de distancia.

El trabajo tiene aplicaciones prácticas potenciales. El conocimiento a fondo del entrelazamiento de los fotones es fundamental para el avance de las futuras computadoras cuánticas, capaces de realizar en segundos tareas que demandarían años en la más rápida de las computadoras actuales. Es decisivo también para la criptografía cuántica, que crea un código inviolable, e incluso para la fantástica idea del teletransporte – imaginada en la serie de TV Viaje a las Estrellas y que permite trasladar a la tripulación desde la nave espacial Enterprise hasta lugares distantes por medio de la descomposición y recomposición atómica.

Trayectoria invertida
La impresión de estar haciendo un viaje al pasado dada por el experimento de los años 60 y por el que el grupo de la UFRJ condujo se produce cuando un haz de luz láser incide sobre un material difuso – una hoja de papel manteca, por ejemplo -, que lo desorganiza y lo esparce en diversas direcciones. Al atravesar este reparo, la luz láser pierde su principal característica – partículas (fotones) organizadas en fila india – y se vuelve semejante a la luz común, como la de una lámpara casera.

Lo inesperado es que, al encontrar un medio no lineal – un recipiente con un gas especial, por ejemplo -, los rayos de luz se reflejan de manera tal que rehacen las trayectorias anteriores, atraviesan nuevamente el papel manteca y retoman la organización inicial. Parece que volvieron en el tiempo. “En realidad, para que ese haz se refleje, el tiempo continua pasando normalmente”, explica Paulo Henrique Souto Ribeiro, coordinador do laboratorio. “Ocurre solamente una inversión de su trayectoria.”

Ribeiro repitió el experimento con otro medio no lineal. La base del experimento la formaron dos fuentes de luz láser. La primera, bombeadora, pasa por un cristal, que les confiere a los fotones propiedades especiales y los divide en dos haces. La segunda fuente, auxiliar, cruza la trayectoria del primer láser dentro del cristal y refuerza la intensidad de ambos haces bifurcados.

La interacción que se produce dentro del cristal hace que uno de los haces bifurcados pase a tener exactamente las mismas características que el auxiliar, pero con una trayectoria invertida, lo que lo pone en un estado de reversión temporal, como si el haz auxiliar se reflejara en un espejo. Para demostrar esto, el grupo colocó un alero o reparo que bloqueó la mitad del haz auxiliar. La otra mitad del haz conjugado fue entonces bloqueada. “Exactamente como si fueran imágenes en un espejo”, dice el coordinador.

El poder del cristal
Ribeiro es un ingeniero electricista que mandó a las nubes un empleo de mantenimiento de aviones y alzó vuelo en un posgrado en la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG). Se doctoró en 1995, pasó una temporada en la École Normale Supérieure de París y se instaló en 1998 en Río con el objetivo de transferirle su visión experimental a un grupo de físicos teóricos. Después montó el laboratorio – con recursos del Ministerio de Ciencia y Tecnología, de la Fundación de Apoyo a la Investigación del Estado de Río de Janeiro (Faperj, sigla en portugués) y de la Fundación Universitaria José Bonifácio (FUJB) – y estrechó lazos, uno de éstos con el profesor Paulo Nussenweig, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP).

El trabajo del equipo se basa en las propiedades especiales que la luz adquiere en el interior de un cristal especial en forma de cubo, con aristas de un centímetro. Allí se forman las partículas gemelas – o fotones enmarañados, uno de los fenómenos más bizarros del mundo de las partículas. Una vez creados los pares de fotones, cualquier acción efectuada en uno de éstos afecta instantáneamente a la partícula compañera, aunque ésta se encuentre a millones de kilómetros de distancia. Por eso ya han sido comparados, en tono de broma, al vudú, hechizo que hace que la víctima sienta instantáneamente acciones ejecutadas a distancia – agujas clavadas en un muñeco de trapo causarían dolor en una persona en los puntos en los que el muñeco recibe las punciones.

Como en ese caso, el fenómeno de los pares entrelazados es huidizo: el láser de helio y cadmio utilizado en la UFRJ emite luz violeta y, segundo tras segundo, dispara unos 10 mil billones de fotones que, tras penetrar en el cristal, se chocan contra espejos que absorben poquísima luz y son captados por detectores capaces de indicar la llegada coincidente de cada uno de los pares. A cada segundo, los aparatos – instalados sobre una mesa con un sistema de amortiguadores que impide cualquier tipo de vibración – producen alrededor de mil pares de fotones gemelos.

Un mundo extraño
Los fenómenos del mundo atómico y molecular, habitado por las partículas gemelas, se rigen según las leyes de la mecánica cuántica, que parecen un contrasentido para quienes se atienen a las dimensiones del mundo visible. Partículas tales como los electrones y fotones se comportan como corpúsculos y ondas al mismo tiempo y solo optan por uno de esos comportamientos cuando son observadas. Y existen otras cosas extrañas. Las partículas pueden ocupar dos posiciones en el espacio al mismo tiempo o despedazarseen numerosos fragmentos – u ondas – y aun así mantener sus propiedades.

Esto las diferencia de lo que sucede con los cuerpos macroscópicos, que nunca revelan simultáneamente su posición y su velocidad. Estas peculiaridades llevaron a un intenso debate entablado entre los mayores científicos del siglo XX. El comportamiento de los pares entrelazados perturbaba al físico alemán Albert Einstein (1879-1955), que clasificó a esa unión instantánea entre éstos como una “fantasmagórica acción a distancia”.

En un artículo de 1935, Einstein intentó demostrar aquello que consideraba como la incoherencia de la teoría cuántica y previó que eso se resolvería cuando la teoría alcanzase la fase adulta. Como respuesta, el danés Niels Bohr (1885-1962), con quien Einstein mantuvo un debate durante tres décadas, demostró que el microuniverso atómico agrede efectivamente al sentido común y que aquéllos que se aventurasen a estudiarlo deberían conformarse con esto. La historia parece otorgarle cierta ventaja a la Escuela de Copenhague, encabezada por Bohr: contrariando a la voluntad de Einstein, las menores entidades del universo continúan comportándose extrañamente.

Perspectivas
Las máquinas que pueden llegar a construirse a partir de los fotones entrelazados aún se encuentran en gestación. Las computadoras cuánticos, por ahora, no guardan semejanza alguna con las computadoras que conocemos. Y se han efectuado pruebas con criptografía cuántica, pero nada hasta ahora que puede utilizarse en la transmisión segura de datos. En septiembre pasado, el equipo de Eugene Polzik, de la Universidad de Arhus, Dinamarca, le relató a la revista Nature que logró entrelazar dos nubes de cesio. Cada nube contenía alrededor de un billón de átomos y su entrelazamiento es considerado como el primer paso para el teletransporte de partículas masivas.

“El enmarañado cuántico”, dice Ribeiro, “es la propiedad física que se encuentra detrás de la realización del teletransporte. El teletransporte del estado de polarización de un fotón fue realizado experimentalmente con la utilización de pares de fotones entrelazados o enmarañados”. En tanto, el teletransporte de objetos mayores sería bastante más complejo: el cuerpo humano, por ejemplo, tiene cerca de 10 25 (el número 1 seguido de 25 ceros) átomos: diez billones de veces el tamaño de las nubes gemelas.

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