Utilizando láseres para excitar un sólo átomo de una nube de gas de rubidio ultracongelado, físicos han desarrollado una nueva manera rápida y eficiente para crear fotones simples para usos potenciales en el procesamiento óptico de información cuántica y en el estudio de dinámicas y desórdenes en ciertos sistemas físicos.

La técnica toma ventaja de las propiedades únicas de los átomos que tienen uno o más electrones excitados hacia una condición de casi ionización llamada el estado Rydberg. Los átomos en este estado de alta excitación con un numero cuántico princiapal mayor que 70, tienen propiedades magnéticas “exageradas” e interactúan fuertemente entre sí. Esto permite a un átomo de Rydberg bloquear la formación de átomos excitados adicionales en un área de 10 a 20 micrones.

Ese átomo individual de Rydberg puede pasar entonces a convertirse en un fotón, asegurándose que, en promedio, sólamente un fotón es producido por una nube de rubidio que contiene cientos de densos paquetes de átomos. Producir de manera fiable un fotón simple con propiedades bien conocidas es importante para muchas áreas de investigación, incluyendo los sistemas de información cuántica.

Los detalles sobre ésta nueva técnica han aparecido en la revista Science Express, que es una publicación de artículos en línea antes de que aparezcan impresos en Science. La investigación ha sido apoyada por la Fundación Nacional para la Ciencia y por la Oficina de la Fuerza Aérea para la Investigación Científica en los Estados Unidos.

“Hemos sido capaces de convertir excitaciones de Rydberg en fotones simples con una eficencia sustancial, que nos permite preparar el estado que queremos en cualquier momento”, explicó Alex Kuzmick, profesor de la Escuela de Física en el Instituto de Tecnología de Georgia. “Éste nuevo sistema ofrece una fértil área para investigar el entrelazamiento de los átomos, el giro de las ondas y de los fotones. Esperamos que éste será un primer para hacer mucho más por éste sistema”.

Kuzmich y el co-autor, Yaroslav Dudin, han estado estudiando sistemas de información cuántica que se basan en mapear información de los átomos en los pares de fotones entrelazados. Sin embargo, la técnica de dispersión Raman o de Efecto Raman que han estado utilizando para crear a los fotones ha resultado ineficiente e incapaz de proporcionar el número de fotones entrelazados que se necesitan para crear sistemas complejos.

“Ésta nueva fuente de fotones es alrededor de 1000 veces más rápida que los sistemas existentes”, afirmó Dudin. “Los números son muy buenos para nuestra primera implementación experimental”.

Para crear un átomo de Rydberg, los investigadores utilizaron láser para iluminar un denso ensamble de cientos de átomos de Rubidio-87 que han sido enfriados a través del láser y confinados en una red óptica. La iluminación impulsó a un sólo átomo de toda la nube dentro de un estado de Rydberg. Los átomos excitados al estado de Rydberg interactúan de manera muy fuerte con otros átomos en el mismo estado de Rydberg y, bajo ciertas condiciones, modifican los niveles atómicos de energía y previenen a más de un átomo de ser transferido dentro de este estado: un fenómeno conocido como el bloqueo de Rydberg.

Los átomos de Rydberg muestran ésta fuerte interacción entre un rango de 10 y 20 micrones. Al limitar su ensamble inicial de átomos de rubido a apróximadamente esa distancia, Kuzmich y Dudin tuvieron la posibilidad de asegurarse de que no más de un átomo de éste tipo podía formarse.

“El átomo excitado de Rydberg necesita espacio alrededor de él y de esta manera no permite a ningún otro átomo de Rydberg acercarse”, explicó Dudin. “Nuestro ensamble tuvo un volúmen limitado, por lo que no pudimos ajustar más de uno de éstos átomos en el espacio disponible”.

Kuzmich y Dudin han estado utilizando átomos de Rydberg con un número cuántico principal de apróximadamente 100. Éstos átomos excitados son más largos -tanto como la mitad de un micrón de diámetro- que los átomos de rubidio que se encuentran normalmente y que poseen un número cuántico de 5 y un diámetro de unos pocos Angstroms.

Una vez que un átomo excitado se ha creado, los científicos utilizan campos de láser adicionales con la finalidad de convertir esa excitación en un campo de luz cuántica que tiene las mismas propiedades estadísticas que la excitación. Debido a que el campo fue produido por un sólo átomo de Rydberg, éste sólamente contiene un fotón, el cual puede ser utilizado en una gran variedad de protocolos.

Para el equipo de la Universidad de Georgia, el siguiente paso podría ser desarrollar una puerta cuántica entre los campos de luz. De hecho, la puerta cuántica de fotones ha sido propuesta y perseguida por muchos equipos de investigación, y en todas ellas insatisfactoriamente.

“Si esto pudiera realizarse, tales puertas cuánticas nos permitirían crear de forma determinista, complejos estados entrelazados de átomos y luz, los cuales agregarían valiosas capacidades a los campos de las redes y la computación cuánticas”, afirmó Kuzmich. “Nuestros trabajos apuntan hacia esa dirección”.

Pero más allá de los avances que ésta investigación podría traer al campo de la física cuántica, los nuevos sistemas de fotones individuales también podrían ayudar a los científicos a investigar otras áreas de la física.

“Nuestros resultados también son prometedores para los estudios de dinámicas y desórdenes en muchos sistemas con interacciones sintonizables”, explica Kuzmich. “En particular, la ruptura de la simetría de traslación, transiciones de fase, entre otras tantas, podrían ser investigadas en el futuro utilizando la fuerza de acoplamiento de las excitaciones de Rydberg de un gas atómico”.

TRADUCCIÓN Y EDICIÓN de Julio García.

FUENTE: Physorg.com