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Física

Colores enmarañados

Un grupo de São Paulo obtiene el entrelazamiento cuántico entre tres haces de luz de distintas longitudes de onda

EDUARDO CESARUn esbozo de la red de circuitos internos que podrá ocupar el lugar de los chips de silicio y convertirse en el corazón de una computadora cuántica muestra ahora contornos más concretos, merced a un experimento inédito llevado a cabo en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP). Un equipo integrado únicamente por brasileños y coordinado por los físicos Paulo Nussenzveig y Marcelo Martinelli, del IF-USP, montó un sistema con el cual fue posible crear –y hasta cierto punto controlar– el fenómeno del enmarañado cuántico entre tres haces de luz de distintas longitudes de onda. Uno de los haces era verde y estaba en la porción visible del espectro y los otros dos se ubicaban en el campo del infrarrojo cercano, que no puede verse a simple vista. Hasta ese momento, lo máximo que otros grupos de científicos habían logrado era entrelazar cuánticamente dos haces de luz de colores distintos o varios de la misma frecuencia. “El enmarañado de haces de tres colores puede ser útil en el futuro para la construcción de computadoras cuánticas”, comenta Nussenzveig. “En teoría, podríamos montar una red con componentes cuánticos que operase en distintas frecuencias”. Este trabajo fue publicado el día 17 del mes pasado en Science Express, la versión online de la revista científica americana Science.

Además de demostrar la factibilidad del enmarañado tricolor, el estudio pionero de los brasileños aportó una segunda buena noticia. Los físicos constataron que este tipo de entrelazamiento puede originar un sistema óptico relativamente robusto, que no se desvanece tan fácilmente como los otros modelos más simples de enmarañado. Al fin y al cabo, nadie quiere tener una PC cuántica que sea inestable por naturaleza. Alterando ligeramente la intensidad de los haces empleados en el experimento, lograron modular el grado de entrelazamiento entre los fotones (las partículas de luz) del sistema. Observaron también que el fenómeno descrito técnicamente como muerte súbita del enmarañado, detectado hasta ahora solamente en sistemas más elementales, también surgía cuando disminuían la intensidad de los haces de luz por debajo de un cierto nivel. La energía del haz de láser verde usado para iniciar el experimento en la USP es pequeña, pero nada desdeñable: del orden de los 50 milivatios, diez veces mayor que la empleada en algunas punteros de láser.

Además de Nussenzveig y Martinelli, el equipo de investigadores que hizo el trabajo incluye a los alumnos de posgrado Antônio Sales Coelho y Felippe A. Silva Barbosa, todos del IF-USP, y a los físicos Katiúscia Cassemiro y Alessandro Villar, actualmente en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, en Alemania. El estudio que redundó en el enmarañamiento tricolor forma parte de las investigaciones llevadas adelante en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Información Cuántica (INCT-IQ), coordinado por Amir Ordacgi Caldeira, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). Este instituto es una iniciativa del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT), a través del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), en colaboración con la FAPESP.

Como todo fenómeno cuántico, el enmarañamiento no puede explicarse según las leyes de la física clásica. Forma parte de un mundo con reglas propias, extrañas a la comprensión de la realidad macroscópica y que seducen con aquello que los legos denominan telepatía. Previsto en la década de 1930 y comprobado experimentalmente décadas más tarde,  el enmarañado cuántico deja una impronta típica en un sistema. Si dos o más partículas –átomos, electrones o fotones, como en el experimento de la USP– están conectados de una manera tan íntima que las modificaciones sufridas por algunas de éstas también se manifiestan en las propiedades de las otras, independientemente de estar separadas por nanómetros de distancia o por el Océano Atlántico, forman un sistema con las características del enmarañado cuántico. Al prever la posibilidad del entrelazamiento, Albert Einstein dijo que el misterioso fenómeno era dotado de una “fantasmagórica acción a distancia”.

Desde el punto de vista aplicado, estas correlaciones entre las partículas enmarañadas pueden explotarse de manera tal de crear los llamados bits cuánticos o qubits que, teóricamente, podrían expandir enormemente la capacidad de las computadoras para almacenar, procesar, criptografiar y transmitir información. El problema es que el entrelazamiento es un fenómeno frágil, cuyos efectos pueden desaparecer debido a ínfimas interferencias del ambiente. Los científicos suelen optar por los fotones para construir sistemas enmarañados, en lugar de átomos u otras partículas elementales, pues la luz puede transmitirse vía fibra óptica o incluso por aire sin perder los efectos del entrelazamiento.

IF-USPCristal (en azul) “sujeta” cuánticamente los tres haces de luz de colores diferentes IF-USP

Para crear el sistema descrito en Science, los investigadores montaron un sistema denominado oscilador paramétrico óptico (OPO). Se trata de un dispositivo que permite bombear con un haz de luz (láser) verde un sistema compuesto de un cristal especial ubicado entre dos espejos. El enmarañado surge cuando el haz de luz verde atraviesa el cristal. En ese momento se produce la conversión de fotones verdes en pares de fotones en el infrarrojo, de dos frecuencias distintas (vea la ilustración). “El cristal ‘sujeta’ los tres haces de luz, y crea el enmarañado”, explica Martinelli. Por último, los nuevos haces de luz producidos, junto al haz restante de luz verde, son reorientados hacia subsistemas de espejos utilizados para medir sus propiedades. “En nuestro experimento hay tantos fotones enmarañados que no es posible contarlos”, dice Nussenzveig.

Hace cuatro años, el grupo de la USP había tenido éxito en crear el entrelazamiento cuántico con tan sólo dos haces de luz. Al año siguiente, los físicos publicaron un artículo previendo la posibilidad de enmarañar un trío de haces, cosa que ahora han demostrado experimentalmente que es posible. Pero no fue un proceso fácil. Cuando empezaron a hacer las tentativas de crear el enmarañamiento tricolor, se depararon con un problema frecuente en la ciencia: los resultados prácticos no coincidían con las proyecciones teóricas. Existía una fuente de contaminación que dificultaba el registro del enmarañado. “Había un ruido de la luz que era intrínseco al sistema, de naturaleza cuántica”, dice Martinelli. “Pero había otro tipo de ruido malo, que obstaculizaba las mediciones”. Necesitaban entender el origen de la interferencia y eliminarla del sistema.

En los experimentos con el oscilador paramétrico óptico, los físicos trabajan usualmente a temperatura ambiente. Sin embargo, esa estrategia no funcionaba en la busca del entrelazamiento de tres haces diferentes de luz. Los investigadores descubrieron que, en ese caso, era necesario enfriar el cristal por debajo de una temperatura para retirar el ruido indeseable del sistema. El calor del ambiente, superior a los 20°C, hacía que el cristal vibrase y producía interferencias. La salida fue mantener el cristal a -23°C y así se crearon las condiciones para que el entrelazamiento pudiese medirse de manera satisfactoria.

Resulta interesante notar que la investigación brasileña ha efectuado contribuciones importantes al estudio del enmarañado cuántico. Además del equipo de Nussenzveig y Martinelli, otros grupos de investigación publicaron artículos en periódicos de renombre internacional. En abril de 2006, el grupo de Luiz Davidovich, de la Universidad Federal del Río de Janeiro (UFRJ), realizó la primera medición directa del enmarañado cuántico de partículas y publicó el logro en la revista científica británica Nature. En abril de 2007, el mismo equipo mostró en las páginas de Science de qué manera ocurría el fenómeno de la muerte súbita del enmarañado. “Existen varios grupos nacionales, teóricos y experimentales, que están realizando trabajos en la frontera del conocimiento”, afirma Davidovich. “Y tienen una característica interesante: están distribuidos en varios estados de Brasil e interactúan entre ellos.”

El proyecto
Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Información Cuántica (INCT-IQ) (nº 08/57856-6); Modalidad Programa Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología del MCT/ CNPq/ FAPESP; Coordinador Amir Ordacgi Caldeira – Unicamp; Inversión R$ 1,5 millones (FAPESP) – Para grupos de investigación de São Paulo

Artículo científico
COELHO, A.S. et al. Three-color entanglement. Science Express. Publicado on-line en 17 set. 2009.

 

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