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Física

El giro de la luz

Con una técnica sencilla, miden una propiedad de los haces luminosos útil para la computación cuántica

UVA COSTRIUBASi hay una cosa que los físicos aprecian es la simplicidad. Para la mayoría, la noción de que todo – incluso el Universo – puede resumirse a un puñado de ecuaciones es demasiado fascinante como para ser desdeñada. En ocasiones, los intentos de traducir la naturaleza en números requieren la construcción de caros y complejos aceleradores de partículas. Pero no fue ése el caso del trabajo realizado por el grupo de Jandir Hickmann, de la Universidad Federal de Alagoas (Ufal),  publicado a finales de julio en Physical Review Letters. Con herramientas mucho más modestas (una fuente de láser, algunas lentes y unas tiras de cinta aisladora), él y tres colaboradores diseñaron una estrategia bastante sencilla de medir una    propiedad de la luz que quizá pueda usarse para manipular información en una computadora cuántica.

La propiedad que midieron es el llamado momento angular orbital. La visualización mental de dicha propiedad, como prácticamente todo en el mundo cuántico, es bastante complicada. Pero el físico de la Ufal emplea una metáfora de la física clásica para explicarla. Imagínese que la Tierra es un haz de luz. Nuestro planeta ejecuta, con el Sol como referencia, dos movimientos distintos. Uno de éstos, sobre su propio eje, es la rotación, que desencadena los días y las noches. El equivalente de este movimiento en el haz de luz sería el momento angular de spin, o espín. El otro movimiento de la Tierra es alrededor del Sol: la traslación, que desencadena el paso de los años. Su equivalente cuántico sería el momento angular orbital. Combinados, ambos movimientos hacen que la energía de la luz se concentre en determinadas regiones del haz. A medida que la luz avanza en una dirección, dicha área de concentración de energía se desplaza en espiral a lo largo del eje del haz luminoso. Si fuese visible, formaría una imagen parecida a un sacacorchos.

Hace mucho tiempo que los científicos saben medir las propiedades de spin, pero la medición del momento angular orbital es mucho más difícil. Mediante el empleo de una mesa óptica, Hickmann y sus colegas dispararon un láser de argón en dirección a un detector. En el camino, la luz debía pasar por un holograma, una especie de filtro en donde adquiría momento angular orbital, antes de atravesar una abertura en    forma de triángulo equilátero en una tira de cinta aisladora. ¿Por qué ese material? “Para demostrar la facilidad de ejecución”, dice el físico brasileño.

Desvíos
Al atravesar la abertura, el láser interactúa con los bordes del triángulo y sufre un desvío (difracción). Lo que se ve en el detector es un triángulo distinto, formado por un conjunto de discos luminosos. Basta con contar la cantidad de discos que forman uno de los lados del triángulo para saber el valor del momento angular orbital. El mismo será proporcional a la cantidad de discos.

Esta constatación entusiasmó a los físicos. “Fue una sorpresa, por lo menos para mí, que hubiese una relación tan simple y linda”, declaró Miles Padgett, de la Universidad de Glasgow, Escocia, a Physical Review Focus, el medio de divulgación científica de la Sociedad Física Americana, que presentó la investigación brasileña otorgándole relieve. La razón de tal entusiasmo es que existe la esperanza de que el momento angular orbital pueda usarse como base para la llamada computación cuántica.

JANDIR HICKMANN / UFALDiscos de colores, producto del desvío de la luzJANDIR HICKMANN / UFAL

La idea embutida en esta tecnología naciente consiste en usar las interacciones y las propiedades de la luz y de las partículas atómicas para efectuar cálculos que difícilmente podrían hacerse de otro modo. Sucede que una de las características más extrañas del mundo cuántico es el hecho de que una partícula, hasta el momento en que se la observe, puede contener todas las configuraciones posibles. Por ejemplo, una  partícula de luz puede tener simultáneamente spin -1 ó 1 antes de ser detectada. Así, la misma podría en principio usarse para hacer dos operaciones a la vez.

Los experimentos que se valen del spin para el procesamiento cuántico han obtenido algún éxito, pero Hickmann vislumbra un potencial aún mayor para el uso del momento angular orbital. “Sucede que no existe un límite para la cantidad de estados que puede asumir. Mientras que el momento angular de spin solamente puede ser 1 ó -1, el momento angular orbital puede tener cualquier valor, con tanto que sea un número entero, positivo o negativo”, explica el físico.

Así, al menos en principio, la cantidad de cálculos simultáneos que pueden hacerse con un procesador cuántico basado en el momento angular orbital pasa a ser mucho mayor. A medida que se vayan desarrollando técnicas eficientes de medición, esa idea podrá acercarse un poco más a la realidad. Pero un poco nomás.

“El mayor problema de la computación cuántica es a decoherencia”, dice Hickmann. Ése es el nombre que se le da a la pérdida de esa delicada condición en que las partículas exhiben todos los estados al mismo tiempo y que, por ende, es útil para el procesamiento de información. “Lo difícil es generar estados cuánticos lo suficientemente robustos como para que no se pierdan”, afirma. Según el físico, hasta ahora los únicos procesadores cuánticos probados tienen una bajísima capacidad de procesamiento. “Es como si uno tuviese un procesador capaz de contar solamente hasta 16 bits cuánticos, que tiene pocos dedos y no logra contar mucho”, explica, “por eso todavía no tienen una aplicación práctica”.

Artículo científico
HICKMANN, J. et al. Unveiling a truncated optical lattice associated with a triangular aperture using light’s orbital angular momentum. PRL. v. 105. 30 jul. 2010.

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