En la luz encontramos los primeros indicios que apuntaban a la naturaleza cuántica del universo. A día de hoy la óptica cuántica, que estudia —precisamente— las propiedades cuánticas de la luz, ha sentado las bases de muchos de los avances más importantes de nuestra sociedad, como el láser o la computación cuántica.
José Luis Oltra
Físico y divulgador científico
Aapenas unos meses de acabar el siglo XIX, a finales de 1900, Max Planck revolucionó la física al sugerir que la luz tenía una naturaleza cuantizada, poniendo así la primera piedra de la mecánica cuántica, una de las ramas fundamentales de la física moderna. Al poco Einstein demostró que la luz consistía en partículas, lo que ahora llamamos fotones, que no eran más que paquetitos de energía, “cuantos”. Esta teoría redefinió nuestra comprensión de los bloques más fundamentales del universo, mostrándonos que a las escalas más pequeñas todo eran probabilidades, al contrario de lo que nos había mostrado la física hasta ese momento.
Tras los desarrollos teóricos de la década de los 20, que nos permitieron dar sentido a estas paradojas aparentes, la física cuántica fue acercándose cada vez más al laboratorio y a la industria. La parte más aplicada de esta nueva física empezó a brillar con luz propia con la invención del láser en 1960, una herramienta que permitió generar luz coherente y monocromática, haciendo más tangible que nunca la naturaleza cuántica de la luz.
La óptica cuántica ha protagonizado muchos avances en tecnologías cuánticas. Foto: iStock | da-kuk
La óptica cuántica nos ha permitido examinar las reglas fundamentales de la mecánica cuántica con gran detalle. En los primeros años de la física cuántica, Niels Bohr propuso que no solo la energía de los fotones de luz estaba cuantizada, sino también la energía de los electrones en un átomo. Cuando un electrón pasaba de un nivel a otro, lo hacía dando saltos de una energía concreta, emitiendo o absorbiendo un fotón con energía idéntica a la diferencia entre niveles. Más tarde la creación y manipulación de estados coherentes o lo que se conoce como luz comprimida o “squeezed light” en inglés, han permitido manipular la propia luz con una precisión impensable hasta el momento. Los estados de luz comprimida consiguen jugar con la incertidumbre inherente a cualquier estado cuántico, minimizando la incertidumbre en una magnitud concreta según la aplicación que se busque. Estas técnicas han permitido por ejemplo llevar a cabo mediciones tan precisas como las necesarias para la detección de ondas gravitatorias, en las que se detectan cambios en la longitud de un tubo de varios kilómetros menores al diámetro de un protón.
El modelo Jaynes-Cummings describe cómo interactúa un átomo de dos niveles con un campo electromagnético y ha servido para entender propiedades cuánticas de esa interacción de forma teórica. Este modelo, a pesar de su apariencia simple, ha demostrado ser muy potente. Se ha utilizado para estudiar cómo el entorno puede provocar decoherencia en los sistemas cuánticos, haciéndoles perder sus propiedades intrínsecamente cuánticas, como la superposición o el entrelazamiento. Esta decoherencia resulta especialmente problemática cuando trabajamos con sistemas cuánticas compuestos de gran cantidad de elementos, como en un ordenador cuántico.
Este tipo de ordenadores serían aquellos que utilizan los fundamentos de la computación cuántica para llevar a cabo sus cálculos y procesos. Las tecnologías cuánticas que han permitido el desarrollo, todavía en proceso, de esta nueva computación deben mucho a la óptica cuántica. La información cuántica estudia las propiedades y aplicaciones del qubit, el análogo cuántico del famoso bit, la unidad mínima de información utilizada en la computación tradicional. Este bit puede adoptar dos valores, representados con las cifras 0 y 1. Estos valores suelen materializarse en circuitos microscópicos que según estén abiertos o cerrados permiten que cada proceso informático se desarrolle de una forma u otra. Los qubits no están limitados a estos dos valores clásicos, sino que pueden existir en una superposición de 0 y 1, un estado que combina estos dos valores con diferente probabilidad, abriendo un universo de posibilidades para el procesamiento de información.
Otro campo en el que la óptica cuántica ha jugado un papel decisivo ha sido en el de la criptografía cuántica. Si queremos comunicarnos con alguien y asegurarnos de que nadie pueda interceptar el mensaje, deberemos recurrir a la criptografía. Encriptando el mensaje lo haremos ilegible ante cualquier persona ajena. Pero para ello deberemos asegurarnos de que quien lo reciba, conozca la forma de desencriptar el mensaje correctamente. La forma más segura de hacer esto es probablemente creando una clave aleatoria, que sustituya unos símbolos por otros sin ningún tipo de patrón o sentido. Es fácil ver sin embargo que la logística de este método se complica cuando el receptor está al otro lado del mundo o cuando desconoces quién será. Utilizando luz en estados de superposición, es posible crear claves únicas para el cifrado de mensajes, como idearon Bennett y Brassard en 1984. Estas claves cumplirían la función de encriptar el mensaje, siendo además inservibles si son interceptadas.
Algunos algoritmos cuánticos, como los que se utilizan para descomponer números en sus factores primos, podrían, en teoría, resolver problemas en una fracción del tiempo que tomaría a las mejores computadoras clásicas existentes, lo cual es especialmente significativo para campos como la criptografía. El campo de la computación cuántica aún es joven y todavía estamos explorando cuál será el mejor sistema físico para hacerla realidad a gran escala. Los ordenadores cuánticos basados en trampas de iones, óptica cuántica lineal y qubits superconductores son las tecnologías más avanzadas en esta carrera. Cada una tiene sus ventajas, desafíos y capacidades, desde atrapar y controlar átomos individuales hasta diseñar circuitos superconductores que actúan como átomos artificiales.
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Referencias:
Dan Browne et al, From Quantum Optics to Quantum Technologies, 2017, Progress in Quantum Electronics, 54, https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2017.06.002
Ch.C. Gerry, P.L. Knight, Introductory Quantum Optics (Cambridge University Press, 2005)
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