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Artículo publicado el 21 de marzo de 2016 en el Instituto Max Planck

Una variación puramente cuántica del experimento clásico con dos átomos revela un sorprendente fenómeno de interferencia.

El experimento de la doble rendija está considerado entre los físicos como uno de los más elegantes de todos los tiempos. De acuerdo con el ganador del Premio Nobel, Richard Feynman, encapsula todo el misterio de la física cuántica. Demuestra, de modo impresionante, la naturaleza ondulatoria de la luz, y el fenómeno de la interferencia. Los científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en Garching, ha modificado la configuración del experimento clásico: en lugar de dos rendijas, usan dos átomos individuales dispersados por la luz. Como en el experimento original se da el fenómeno de la interferencia. Sin embargo, en este caso, también se da un fenómeno cuántico adicional, el cual están estudiando los físicos para saber cómo interactúa la luz con la materia. El éxito de este experimento dependía de que los físicos captaran y observaran átomos en un resonador con una precisión sin precedente. A largo plazo, quieren estudiar cómo pueden usarse estas observaciones para descubrir nuevas técnicas para el procesamiento de información cuántica.

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Patrón de interferencia en experimento de doble rendija

El experimento, que llevó a cabo por primera vez el físico inglés Thomas Young en 1800, en esencia es muy simple: la luz pasa a través de dos finas rendijas paralelas y se proyecta sobre una pantalla. Debido a que las rendijas son tan finas, la luz que pasa a través de ellas se dispersa e ilumina grandes partes de la pantalla. Sin embargo, las áreas en las que la luz de ambas rendijas se combina no es el doble de brillante que la luz procedente de una única rendija. El resultado es un patrón en bandas en el que se alternan franjas oscuras con otras que son cuatro veces más brillantes. Los físicos se refieren a este fenómeno como interferencia y explican el patrón en términos de la naturaleza ondulatoria de la luz. Allí donde se encuentran dos crestas o valles, el área está iluminada; donde se superponen crestas y valles, el área es oscura. Para una longitud de onda fija, la forma del patrón de interferencia depende de la distancia entre las dos rendijas.

En lugar de dos rendijas, el equipo del Instttuto Max Planck de Óptica Cuántica usó dos átomos de rubidio que lograron excitar hasta la fluorescencia con un láser. Usaron un sofisticado método para posicionar con precisión los átomos. “En el núcleo de la configuración experimental es un resonador óptico que consta de dos espejos altamente reflectantes separados por una distancia de medio milímetro”, explica el autor principal del artículo, Andreas Neuzner, que también escribió su tesis doctoral sobre este experimento. Los haces láser generan un campo de luz de onda vertical entre los dos reflectores. Los físicos hablan de una red óptica que puede, aproximadamente, asimilarse a un cartón de huevos. Los átomos de rubidio enfriados se cargan en la red y se asientan en los huecos del cartón.

La distancia entre átomos puede determinarse con una precisión menor a 70 nanómetros

Cuando otro haz láser resonante incide sobre estos átomos, los átomos emiten luz fluorescente. Usando un sofisticado método y un microscopio de alta resolución que desarrollaron específicamente para este propósito, los físicos con sede en Garching lograron posicionar un único átomo con una precisión de hasta 70 nanómetros, es decir, una fracción de la longitud de onda de la luz. “La visión potencial de nuestra red de luz es muy profunda, dado que los átomos están estrechamente confinados en ella”, explica Neuzner. Y dado que los físicos conocen las dimensiones de su red de luz, es decir, la distancia entre dos valles, con una precisión de menos de un nanómetro, la distancia real entre los átomos puede determinarse con una precisión significativamente mejor que 70 nanómetros. La alta precisión también permite a los investigadores desalojar átomos no deseados de la red con otro haz láser. “Hacemos esto hasta que los dos átomos están exactamente a la distancia deseada”, explica Neuzner.

La configuración de doble rendija puramente mecánico-cuántica está entonces lista para la experimentación. Cuando los físicos exponen los dos átomos a la luz láser de una longitud de onda adecuada, los átomos emiten luz fluorescente, la cual forma un patrón de interferencia mediante superposición, como en el experimento clásico. Esto queda registrado en un detector tras uno de los dos espejos parcialmente trasparentes que capta la luz procedente del resonador. Los investigadores cuánticos de Garching ajustan la distancia entre átomos entre cada experimento, configurando de este modo distintas condiciones de interferencia.

Los átomos disfrutan de un baño de luz – con interesantes consecuencias

No obstante, bajo una inspección más detenida, los investigadores encontraron desviaciones respecto al caso clásico en sus experimentos de dos átomos. En el punto más bajo del patrón de interferencia, donde aparece la interferencia destructiva, no hay una completa oscuridad, es decir, la intensidad no cae a cero. Esto se debe a que los átomos no son rendijas. “En el caso de interferencia destructiva, los dos átomos pueden excitarse de forma simultánea por el láser y emitir luz hacia el resonador”, explica Neuzner. Esta luz se registra entonces en el detector.

Parte de la luz emitida por los dos átomos, sin embargo, impacta en los espejos y se refleja adelante y atrás entre ellos. Como resultado, se acumula un campo de luz en el resonador que interactúa con los átomos. Los átomos disfrutan de un baño de luz − con interesantes consecuencias.

Por ejemplo, en el caso de dos átomos en el espacio libre, la intensidad de la luz en el pico del patrón de interferencia, donde aparece la interferencia constructiva, debería ser cuatro veces superior a la de un único átomo. Sin embargo, en el experimento de Garching, la intensidad sólo aumentó en un factor de 1,3. Esto se debe a que el campo de luz en el resonador óptico, el cual está superpuesto a la excitación de la luz. “El espacio alrededor de los átomos está oscuro debido a la interferencia destructiva”, explica Neuzner. Los átomos, por tanto, están menos excitados desde fuera, y emiten menos luz. Por consiguiente, la intensidad disminuye.

Átomos atrapados para procesamiento de información cuántica

“Debido a que podemos controlar y observar los átomos con tanta precisión, logramos analizar la física cuántica claramente, a nivel de un libro de texto”, comenta Gerhard Rempe, Director del Instituto Max Planck en Garching y Jefe del Grupo de Dinámica Cuántica. “Es increíblemente emocionante descubrir exactamente qué sucede cuando la luz interactúa con los átomos”, añade.

Los físicos de Garching están pensando en preguntas más allá de la investigación básica. Se cree que los átomos atrapados ofrecen un medio para crear un computador cuántico. También pueden servir como nodos para intercambio de información en redes cuánticas. “Ofrecen la oportunidad de implementar novedosos protocolos para el procesamiento de información cuántica con múltiples bits cuánticos”, apunta Rempe. Rempe y sus colegas planean extender el experimento en esta dirección usando su equipamiento ultrapreciso.

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