Los fotones se enfrentan a una división en tres partes

Publicado online el 28 de julio de 2010 | Nature | doi:10.1038/news.2010.381

Los fotones se enfrentan a una división en tres partes

Un método que genera tripletes de fotones podría ser de gran ayuda para la información cuántica.
Jon Cartwright

[ Generar tres fotones de uno ya es una realidad que abre la puerta a la demostración del entrelazamiento cuántico. Karl Dolenc / iStockphoto ]

Un solo fotón ahora se puede dividir en tres gracias a la labor de un equipo internacional de físicos. El logro podría abrir nuevas vías en la información cuántica.

La capacidad de dividir fotones puede no sonar tan extraordinaria como otros logros de física cuántica, pero durante décadas ha demostrado ser crucial para el éxito de muchos experimentos. A menudo los investigadores necesitan saber que los fotones se emiten precisamente al mismo tiempo y están en fase unos con otros, y esto es casi imposible si los fotones proceden de fuentes independientes.

En el pasado, los dispositivos han sido capaces de dividir un fotón únicamente en dos. En el método más habitual utilizado para lograr este objetivo, conocido como conversión paramétrica descendente, un rayo láser ilumina un cristal especial “no lineal” –cristales que presentan efectos ópticos insólitos bajo una luz láser intensa–. En ocasiones, un solo fotón del rayo se convierte en dos, cada uno con una porción de la energía y el impulso originales.

Los investigadores sabían que, en teoría, era posible dividir otra vez uno de estos nuevos fotones en una “conversión en cascada”, haciendo un total de tres fotones. Pero había un inconveniente: la probabilidad de dividir un fotón es sólo una en mil millones, lo que hace que la probabilidad de que ocurra dos veces seguidas una en un millón de millones, demasiado pequeña como para tenerla en cuenta de forma experimental.

Sin embargo, la tecnología ha ido mejorando con el tiempo y ahora Thomas Jennewein y sus colegas, de la Universidad de Waterloo en Ontario, Canadá, han hecho realidad la generación de tres fotones.

El equipo utilizó fosfato potásico de titanilo y niobato de litio periódicamente polares –cristales no lineales más eficientes que los utilizados en experimentos anteriores– e insertaron una guía de onda en uno de ellos. La guía de onda ayuda a limitar la óptica a lo largo del cristal para aumentar su eficiencia, de modo que la probabilidad de dividir un fotón en tres es mil veces mayor, lo que lo hace experimentalmente más fácil.

Experimento heróico
En las pruebas, el grupo registró la tasa media de detección de tres fotones en torno a 4,7 por hora, muy por encima de la tasa previa de 0,5 tripletes de fotones por hora.

Yaron Silberberg, investigador sobre óptica del Instituto Científico Weizmann en Rehovot, Israel, alabó el trabajo del grupo como un “experimento heróico: impresionante en el rendimiento, aunque claro en el concepto”. Sin embargo, añadió que tasa de producción de tripletes todavía es muy baja, ya que cualquier experimento llevaría muchos días. “Uno de estos experimentos debería ser la demostración del triple entrelazamiento.”

Efectivamente, aseguró Jennewein, la demostración del entrelazamiento –un fenómeno en el que las entidades cuánticas llegan a estar íntimamente vinculados entre sí a cualquier distancia– es lo próximo en la agenda del grupo. Llevarlo a cabo requiere que los investigadores midan la energía y el impulso de los tres fotones, y verifiquen que suman la energía y el impulso del fotón original, para probar que no queda nada en la fuente de fotones como “residuo” de la producción del triplete.

Si los investigadores logran demostrar el entrelazamiento de los tres fotones, en lo que Jennewein espera tardar un año o más, podría permitir experimentos más complejos en información cuántica, como la comunicación cuántica entre tres partes.

También existe la ventaja adicional de que dos de los tres fotones generados por este método tienen longitudes de onda cercanas a 1.500 nanómetros. Éste es el estándar en las telecomunicaciones, lo que significa que debe ser fácil de integrar futuros sistemas cuánticos en los sistemas de telecomunicaciones ya existentes.

“Como siempre, sólo el tiempo dirá si este diseño funcionará –afirmó Aephraim Steinberg, físico cuántico de la Universidad de Toronto, Canadá–. Pero ya demuestra la posibilidad de algo que parecía inalcanzable no hace tanto tiempo, y muestra que la teoría clásica de conversión descendente parece seguir siendo válida hasta el nivel cuántico, 10 órdenes de magnitud en intensidad por debajo de la aplicada en primer lugar.”