Científicos del MIT, y la Universidad de Harvard, han demostrado que los fotones pueden interactuar, un logro que podría abrir el camino al uso de computación cuántica, así como el uso de la luz de maneras que hasta ahora no habíamos imaginado.

En un artículo publicado en la revista “Science”, el equipo dirigido por Vladan Vuletic, el profesor de física Lester Wolfe en el MIT, y el profesor Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard, informa que ha observado grupos de tres fotones interactuando y, en efecto, uniéndose para formar un tipo completamente nuevo de materia fotónica.

Al cruzar dos haces de luz podemos observar que no sucede nada. Esto es así por que los fotones individuales que componen la luz no interactúan, simplemente se cruzan. Pero, ¿qué pasaría si las partículas de luz pudieran interactuar, atraerse y repelerse entre sí como los átomos en la materia común?

En experimentos controlados, los investigadores encontraron que cuando brillaban un rayo láser muy débil a través de una nube densa de átomos de rubidio ultrafríos, en lugar de salir de la nube como fotones individuales, espaciados aleatoriamente, los fotones se unían en pares o grupos de tres, lo que sugería algún tipo de interacción, en este caso, atracción, tiene lugar entre ellos.

Mientras que los fotones normalmente no tienen masa y viajan a 300,000 kilómetros por segundo (la velocidad de la luz), los investigadores encontraron que los fotones agrupados en realidad adquirieron una fracción de la masa de un electrón. Estas nuevas partículas de luz pesadas también eran relativamente lentas, viajando aproximadamente 100.000 veces más lento que los fotones normales que no interactúan.

Vuletic dice que los resultados demuestran que los fotones pueden atraerse o agruparse entre sí. Si se les puede hacer interactuar de otras maneras, los fotones se pueden aprovechar para realizar cómputos cuánticos extremadamente rápidos e increíblemente complejos. “La interacción de los fotones individuales ha sido un sueño muy largo durante décadas”, dice Vuletic.

En busca de la interacción entre fotones

Vuletic y Lukin dirigen el MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, y juntos han estado buscando formas, tanto teóricas como experimentales, para fomentar las interacciones entre los fotones. En 2013, el esfuerzo valió la pena, ya que el equipo observó pares de fotones interactuando y uniéndose por primera vez, creando un estado de materia completamente nuevo.

En su nuevo trabajo, los investigadores se preguntaron si las interacciones podrían tener lugar no solo entre dos fotones, sino más allá.

“Por ejemplo, puedes combinar moléculas de oxígeno para formar O2 y O3 (ozono), pero no O4, y para algunas moléculas no puedes formar ni siquiera una molécula de tres partículas”, dice Vuletic. “Entonces, era una pregunta abierta: ¿puedes agregar más fotones a una molécula para hacer cosas cada vez más grandes?”

Para averiguarlo, el equipo utilizó el mismo enfoque experimental que utilizaron para observar las interacciones de dos fotones. El proceso comienza con enfriar una nube de átomos de rubidio a temperaturas ultra frías, solo una millonésima parte de un grado por encima del cero absoluto. Al enfriar los átomos, los ralentiza hasta casi detenerlos. A través de esta nube de átomos inmovilizados, los investigadores hacen pasar un rayo láser muy débil – tan débil que solo un puñado de fotones viajan a través de la nube.

Luego, los investigadores miden los fotones a medida que salen del otro lado de la nube de átomos. En el nuevo experimento, descubrieron que los fotones fluían como pares e incluso como grupos de tres,  en lugar de salir de la nube a intervalos aleatorios, como fotones aislados que no tenían nada que ver entre sí.

Además de rastrear el número y la velocidad de los fotones, el equipo midió la fase de los fotones, antes y después de viajar a través de la nube atómica. La fase de un fotón indica su frecuencia de oscilación.

“La fase te dice qué tan fuertemente están interactuando, y cuanto mayor es la fase, más fuertes están unidos”, explica Venkatramani. El equipo observó que cuando las partículas de tres fotones salían de la nube atómica simultáneamente, su fase se desplazaba en comparación con la que tenían cuando los fotones no interactuaban, y era tres veces más grande que el desplazamiento de fase de las moléculas de dos fotones. “Esto significa que estos fotones no solo interactúan de forma independiente entre sí, sino que también interactúan de manera conjunta”.

Encuentros de LUZ

Para explicar qué pudo haber causado que los fotones interactuaran en primer lugar, los investigadores desarrollaron una hipótesis. Su modelo, basado en principios físicos, presenta el
siguiente escenario: cuando un fotón se mueve a través de la nube de átomos de rubidio, aterriza brevemente en un átomo cercano antes de saltar a otro átomo, como una abeja revoloteando entre flores.

Si otro fotón viaja simultáneamente a través de la nube, también puede pasar un tiempo en un átomo de rubidio, formando un polaritón, un híbrido que es parte del fotón, parte del átomo. Entonces, dos polaritones pueden interactuar entre sí a través de su componente atómico. En el borde de la nube, los átomos permanecen donde están, mientras que los fotones salen, aún unidos. Los investigadores encontraron que este mismo fenómeno puede ocurrir con tres fotones, formando un vínculo aún más fuerte que las interacciones entre dos fotones.

Toda la interacción dentro de la nube atómica ocurre más de una millonésima de segundo. Y es esta interacción la que hace que los fotones permanezcan unidos, incluso después de que abandonaron la nube.  Esto significa que los fotones que han interactuado entre sí, en este caso a través de una atracción entre ellos, pueden considerarse fuertemente correlacionados o enredados, una propiedad clave para cualquier bit de computación cuántica.

“Los fotones pueden viajar muy rápido a largas distancias, y las personas han estado usando la luz para transmitir información, como en fibras ópticas”, dice Vuletic. “Si los fotones pueden influenciarse entre sí, entonces si puedes enredar estos fotones, y lo hemos hecho, puedes usarlos para distribuir información cuántica de una manera interesante y útil”.

En el futuro, el equipo buscará la forma de forzar otras interacciones, como la repulsión, donde los fotones pueden diseminarse unos a otros como bolas de billar.

“Es completamente novedoso en el sentido de que ni siquiera sabemos a veces cualitativamente qué esperar”, dice Vuletic. “Con la repulsión de los fotones, ¿se podría fomar una forma reguglar, como un crista de luz? Es un territorio muy desconocido “