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Investigadores en el Instituto Weizmann de Ciencia han conseguido “desplumar” un sólo fotón (una partícula de luz) de un pulso de luz. Los resultados de esta investigación, que fueron publicados hoy en Nature Photonics, poseen un significado tanto fundamental como práctico: la luz es el “caballo de batalla” de los sistemas actuales de comunicación, y los fotones individuales serán probablemente la columna vertebral de futuros sistemas de comunicación cuántica. Además, dicen los científicos, el aparato que ellos diseñaron estimulará futuras investigaciones sobre la naturaleza fundamental de la partícula de luz.
“Una vez que hagamos la transición a un sistema de comunicación cuántica, la información será codificada en fotones individuales”, dice el Dr. Barak Dayan, Director del Grupo de Óptica Cuántica del Instituto Weizmann. “Cada fotón representará un sólo “qubit”, un bit cuántico que puede estar en más de un estado al mismo tiempo (por ejemplo una combinación equitativa de 1 y 0)”.
Dayan y su equipo de investigación, dirigido por el Dr. Serge Rosenblum y Orel Bechler, se propusieron diseñar un esquema que pudiera, cuando se desee, extraer un fotón individual de un flujo de fotones. Su mecanismo se basa en un efecto físico que ellos llaman interacción Raman de fotón individual, o SPRINT (por sus siglas en inglés), que está basado en un sistema de un sólo átomo o un sistema parecido a un átomo. “La ventaja del SPRINT”, dice Dayan, “es que es completamente pasivo. No requiere ningún campo de control, solamente la interacción entre el átomo y el pulso óptico”. En investigaciones anteriores, él y su equipo utilizaron el SPRINT como un interruptor de fotones individuales, que podía mandarlos por distintas rutas, haciendo que el aparato sea efectivamente un “router” fotónico.
En este trabajo, el átomo funciona como un grifo en vez de un interruptor, arrancando un fotón del flujo y luego apagándose a sí mismo. “No es trivial”, dice Dayan, “tener un mecanismo que continúe funcionando incluso con flujos altos de fotones y que pueda arrancar de ellos un sólo fotón”.
El sistema experimental del grupo de óptica cuántica del Weizmann se basa en tecnología de última generación: enfriamiento y trampas de átomos (en este caso rubidio) basados en láser, la fabricación de microesferas de vidrio de ultra alta calidad basadas en chips y nanofibras ópticas.
“La habilidad de desviar un sólo fotón de un flujo podría ser útil para varias aplicaciones”, dice Dayan, “desde la creación de estados no clásicos de luz, que son útiles para la investigación científica básica, pasando por el espionaje de sistemas imperfectos de criptografía cuántica basados en fotones individuales, hasta el aumento de seguridad de nuestros sistemas de comunicación cuántica” .
La existencia del fotón fue sugerida por primera vez por Einstein en 1905, sin embargo varias de sus propiedades sólo están siendo descubiertas hoy en día. Dayan cree que su nuevo método expandirá nuestras capacidades para estudiarlos y controlarlos como partículas individuales.
Los proyectos del Dr. Barak Dayan son financiados por el Fondo Benoziyo para el Avance de la Ciencia; el Centro Crown de Fotónica; La Fundación Rothschild Cesarea; y el Instituto Deloro para la Investigación Avanzada del Espacio y la Óptica. El Dr. Dayan es titular de la Cátedra Joseph y Celia Reskin de Desarrollo Profesional.
Fotografía: Atrapando un sólo fotón de un pulso de luz:los dispositivos basados en el modelo del Instituto Weizmann podrían ser la columna vertebral de futuros sistemas de comunicación cuántica).
“Una vez que hagamos la transición a un sistema de comunicación cuántica, la información será codificada en fotones individuales”, dice el Dr. Barak Dayan, Director del Grupo de Óptica Cuántica del Instituto Weizmann. “Cada fotón representará un sólo “qubit”, un bit cuántico que puede estar en más de un estado al mismo tiempo (por ejemplo una combinación equitativa de 1 y 0)”.
Dayan y su equipo de investigación, dirigido por el Dr. Serge Rosenblum y Orel Bechler, se propusieron diseñar un esquema que pudiera, cuando se desee, extraer un fotón individual de un flujo de fotones. Su mecanismo se basa en un efecto físico que ellos llaman interacción Raman de fotón individual, o SPRINT (por sus siglas en inglés), que está basado en un sistema de un sólo átomo o un sistema parecido a un átomo. “La ventaja del SPRINT”, dice Dayan, “es que es completamente pasivo. No requiere ningún campo de control, solamente la interacción entre el átomo y el pulso óptico”. En investigaciones anteriores, él y su equipo utilizaron el SPRINT como un interruptor de fotones individuales, que podía mandarlos por distintas rutas, haciendo que el aparato sea efectivamente un “router” fotónico.
En este trabajo, el átomo funciona como un grifo en vez de un interruptor, arrancando un fotón del flujo y luego apagándose a sí mismo. “No es trivial”, dice Dayan, “tener un mecanismo que continúe funcionando incluso con flujos altos de fotones y que pueda arrancar de ellos un sólo fotón”.
El sistema experimental del grupo de óptica cuántica del Weizmann se basa en tecnología de última generación: enfriamiento y trampas de átomos (en este caso rubidio) basados en láser, la fabricación de microesferas de vidrio de ultra alta calidad basadas en chips y nanofibras ópticas.
“La habilidad de desviar un sólo fotón de un flujo podría ser útil para varias aplicaciones”, dice Dayan, “desde la creación de estados no clásicos de luz, que son útiles para la investigación científica básica, pasando por el espionaje de sistemas imperfectos de criptografía cuántica basados en fotones individuales, hasta el aumento de seguridad de nuestros sistemas de comunicación cuántica” .
La existencia del fotón fue sugerida por primera vez por Einstein en 1905, sin embargo varias de sus propiedades sólo están siendo descubiertas hoy en día. Dayan cree que su nuevo método expandirá nuestras capacidades para estudiarlos y controlarlos como partículas individuales.
Los proyectos del Dr. Barak Dayan son financiados por el Fondo Benoziyo para el Avance de la Ciencia; el Centro Crown de Fotónica; La Fundación Rothschild Cesarea; y el Instituto Deloro para la Investigación Avanzada del Espacio y la Óptica. El Dr. Dayan es titular de la Cátedra Joseph y Celia Reskin de Desarrollo Profesional.
Fotografía: Atrapando un sólo fotón de un pulso de luz:los dispositivos basados en el modelo del Instituto Weizmann podrían ser la columna vertebral de futuros sistemas de comunicación cuántica).
