El resplandor del Big Bang revela el tiempo de vida de los fotones

bigbangDe la noción de que la luz, que viaja a 300,000 km/s, es el límite cósmico de velocidad, se desprende el supuesto de que las partículas de la luz, llamadas fotones, no tienen masa. Pero observaciones astronómicas no pueden descartar el hecho de que exista una remota posibilidad de que los fotones sí tengan algo de masa.

Por ejemplo, si los fotones no pesan nada, serían completamente estables y durarían para siempre. Pero si tuvieran algo de masa, podrían decaer en partículas menos pesadas. Pero ahora, estudiando luz antigua que fue irradiada poco después del Big Bang, los físicos han podido calcular el tiempo mínimo de vida de los fotones y han mostrado que pueden vivir por billones de billones de años o para siempre.

Ese periodo de vida puede ser una eternidad, pero para un fotón viajando a la velocidad de la luz, ese tiempo pasaría en un abrir y cerrar de ojos. Esto se debe al efecto de dilatación del tiempo que fue predicho por Albert Einstein en la Teoría de la Relatividad, donde millones y millones de años para un terrícola representarían para un fotón tan solo tres años debido a que estas partículas viajan a la velocidad de la luz.

Si los científicos descubrieran algún día que los fotones tienen algo de masa, y por consiguiente un periodo de vida limitado, “la noción de velocidad de la luz obviamente ya no tendría ningún sentido”, afirma Julian Heeck, un estudiante de doctorado del Instituto Max Planck de Alemania. Seguiría habiendo un límite absoluto de velocidad, pero los fotones obviarían esa regla y entonces viajarían a una velocidad menor a la de la luz. La velocidad de los fotones dependería entonces de su longitud de onda y la luz azul viajaría más rápido que la luz roja. Por consiguiente, fotones liberados simultáneamente de estrellas distantes llegarían a la Tierra en diferentes tiempos, dependiendo de su longitud de onda.

Si un un fotón contuviera masa entonces también se necesitarían modificar algunos aspectos del Modelo Estándar de la Física. La ecuación de Maxwell que describe las ondas y campos electromagnéticos (los fotones son las partículas encargadas de transmitir las fuerzas electromagnéticas) y las leyes que describen las interacciones entre partículas cargadas. Debido a este último efecto, observaciones de los campos magnéticos del Sol han demostrado recientemente que los fotones, si es que pesan algo, ese algo debe ser muy ligero. El límite experimental actual sobre la masa de los fotones es de 10 a la -54 kilogramos.

Para encontrar el límite de vida de un fotón, Heeck analizó observaciones de la radiación de fondo de microondas, que es la luz que empapa a todo el universo y que tuvo su origen pocos miles de años después de la Gran Explosión y que ha sido medida desde 1989 por el Satélite COBE, siglas de Cosmic Background Explorer. Esta luz tiene un patrón específico llamado radiación del cuerpo negro, que les indica a los científicos qué tan intensa debe ser la luz (todo esto basado en su longitud de onda). Si un fotón decayera en una partícula menos masiva mientras se mueve a través del universo, de cualquier manera COBE observaría menos energía (luz más roja) que la predicha por la ley de la radiación del cuerpo negro, esto se debe a que la luz roja decaería mucho más rápido que la luz azul que, como ya mencionábamos, tiene más energía. “Los fotones que vienen de muy lejos, desde el comienzo del universo, han tenido suficiente tiempo para decaer cuando llegan a nosotros”, afirma Emanuel Berti de la Universidad de Mississippi.

Pero de acuerdo con las mediciones de COBE, la radiación de fondo de microondas parece comportarse como un perfecto cuerpo negro, esto quiere decir que ningún tipo de luz de baja energía parece perderse, lo que indica que muy pocos fotones, si no es que ninguno, ha decaído desde la Gran Explosión hace 13,700 millones de años. Este análisis le permite a Keeck calcular que la duración mínima de un fotón es de 10 a la 18 potencia o lo que significa billones y billones de años.

Sin embargo, a pesar de que el modelo que afirma que el fotón no tiene masa parece ser correcto, la perspectiva de un modelo con masa plantea intrigantes posibilidades. Por ejemplo, si los fotones decayeran en partículas menos pesadas, ¿qué tipo de partículas serían? Esta es sin duda la cuestión fundamental. Una posibilidad es que estos fotones se conviertan en neutrinos que vienen en diferentes variedades o sabores.

La investigación de Heeck ha sido publicada el pasado 11 de Julio en la revista Physical Review Letters y representa el primer cálculo del tiempo mínimo de vida de un fotón.

Algo que también es interesante de mencionar es lo que pudo haber sucedido después de que la radiación de fondo de microondas se formara. Y es que aquellos primeros fotones probablemente fueron absorbidos por la materia interestelar para luego ser reemitidos cambiando así sus propiedades.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Scientific American

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Los fotones podrían ser utilizados para guardar información en computadoras cuánticas

anotherstept

Científicos de la Universidad de Yale han encontrado una nueva manera de manipular señales de microondas que podría ayudar a desarrollar una computadora cuántica, que se convertiría en una poderosa herramienta que revolucionaría el procesamiento de información ya que se lograría mayor poder y velocidad.

Como las computadoras actuales, las computadoras cuánticas deben ser capaces de recibir, guardar y manipular información con el fin de realizar cálculos. Pero la frágil naturaleza de la información cuántica -que existe como 0 y 1 o ambos números simultáneamente- plantea muchos retos.

El nuevo avance incluye fotones, que son las unidades más pequeñas para poder transmitir señales de microondas. Estos fotones pueden servir como memoria cuántica: parecida a la memoria RAM de una computadora actual. En otras palabras, estas partículas pueden llevar y guardar información cuántica por largos periodos de tiempo, debido a que interactúan débilmente con el medio que las transmite como son los cables coaxiales o el aire mismo. La debilidad de estas interacciones previenen que el fotón sea absorbido por el medio y preserva así la información cuántica una vez que ésta es codificada.

En su reporte, que ha sido publicado en la revista Nature, los científicos afirman haber creado un medio artificial en el que los fotones repelen fotones, permitiendo una codificación eficiente y no destructiva de la información cuántica.

“Nuestro experimento ha mostrado que podemos crear un medio que, por un lado, nos permite manipular el estado del fotón y, por otro lado, hace que los fotones no sean absorbidos. Si éstos fueran absorbidos, entonces la información cuántica que está almacenada en ellos se destruiría”, afirmó Gerhard Kirchmair, un investigador de postdoctorado de la Universidad de Yale. 

“Esto crea una fuente de nuevos estados cuánticos sin la necesidad de utilizar complicadas técnicas de control que podrían simplificar ciertos algoritmos utilizados en este tipo de computación. A largo plazo podría ser utilizado como uno de los muchos recursos requeridos para construir una computadora cuántica”, añadió.

El medio al que el autor se refiere en párrafos anteriores consiste en un qubit superconductor que está acoplado a una cavidad de resonador de microondas.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Phys.org

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Nuevo experimento ayuda a resolver algunos misterios de la mecánica cuántica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¿De qué está hecha la luz? ¿De partículas o de ondas? Esta pregunta básica ha fascinado a los físicos desde los primeros días en que nació la ciencia. La mecánica cuántica predice que los fotones, partículas de luz, son simultáneamente partículas y ondas. Pero una nueva investigación publicada en la revista Science, y llevada a cabo por físico de la Universidad de Bristol, plantea una nueva hipótesis para comprender el mundo cuántico a través un novedoso experimento.

La historia de la ciencia ha estado marcada por un intenso debate entre quienes defienden que la luz se comporta como partícula y quienes la definen solamente como una onda. Isaac Newton fue un defensor acérrimo de la teoría de partículas, mientras que James Clerk Maxwell (quien propuso su exitosa teoría del electromagnetismo) respaldó la teoría de ondas. Sin embargo, las cosas cambiaron dramáticamente en 1905 cuando Albert Einstein mostró que era posible explicar el efecto fotoeléctrico (que se había mantenido en un completo misterio hasta entonces), utilizando la idea de que la luz está hecha por partículas: los fotones. Este descubrimiento tuvo un impacto inmenso en la física, que contribuyó de forma determinante en el desarrollo de la mecánica cuántica: la teoría científica más precisa.

A pesar de su éxito, la mecánica cuántica presenta un inmenso reto para nuestra intuición. De hecho, la teoría predice con una asombrosa precisión el comportamiento de objetos pequeños como átomos y fotones. Sin embargo, cuando realizamos un acercamiento a estas predicciones, estamos forzados a admitir que son tremendamente contra-intuitivas. Por ejemplo, la teoría cuántica predice que una partícula (como puede ser un fotón), puede estar en diferentes lugares al mismo tiempo. De hecho, puede estar en infinito número de lugares, exactamente como una onda. De ahí la idea de que la dualidad onda-partícula sea fundamental para todos los sistemas cuánticos.

De manera sorprendente, cuando un fotón es observado, se comporta al mismo tiempo tanto como onda o como partícula: ambos aspectos nunca han sido observados simultáneamente. De hecho, el tipo de comportamiento exhibido depende del tipo de mediciones que se realicen. Éste asombros fenómeno ha sido experimentalmente investigado en los últimos años, utilizando aparatos de medición que pueden ser cambiados para medir partículas u ondas, pero nunca se había logrado hacerlo al mismo tiempo.

Con el nuevo trabajo presentado en Science por físicos de la Universidad de Bristol, las ideas pueden dar un giro de 180 grados, ya que han logrado construir y poner en funcionamiento un novedoso aparato de medición que es capaz de determinar con precisión el comportamiento onda-partícula simultáneamente, algo que, como hemos dicho, no se había logrado hasta ahora. Este nuevo aparato está alimentado por la no-localidad que es otro efecto contra-intuitivo de la mecánica cuántica.

Para el doctor Alberto Peruzzo, uno de investigadores, “las medidas de nuestro aparato en nuestro experimento detectaron una fuerte no-localidad que certificó que el fotón se comportó simultáneamente como onda y partícula, lo que representa una fuerte refutación de los modelos en los cuales el fotón es solamente una partícula o una onda”.

Por su parte, el profesor Jeremy O´Brien, director del Centro de Fotónica Cuántica de la Universidad de Bristol, comentó que “para llevar a acabo esta investigación, utilizamos un chip basado en fotónica cuántica, que es una nueva tecnología desarrollada en Bristol que también se está utilizando para desarrollar las primeras computador cuánticas y para realizar estudios más sofisticados y profundos de los aspecto fundamentales de los fenómenos cuánticos”.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Phys.org

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La función de onda de la mecánica cuántica es un estado real, afirma estudio.

 

 

Rompen nuevo récord al teletransportar información cuántica

Físicos de la Universidad de Viena y de la Academia de Ciencias de Austria han logrado producir una teletransportación cuántica con una distancia récord de 143 kilómetros. El experimento debe ser considerado como un gran paso hacia la comunicación cuántica por medio de la utilización de satélites.

El equipo internacional está encabezado por el físico austriaco Anton Zeilinger quien, con éxito, pudo transmitir estado cuánticos entre dos las islas Canarias: la de Palma y la de Tenerife, a una distancia de 143 kilómetros. El récord previo fue alcanzado por investigadores chinos hace pocos meses donde la distancia recorrida fue de 97 kilómetros.

Más allá de lo que signifique romper este récord, la importancia fundamental del experimento radica en la posibilidad de enviar información y mensajes con mejor seguridad, utilizando los efectos de la mecánica cuántica y con la ventaja que ciertos cálculos sean realizados con mayor eficiencia que con las tecnologías convencionales actuales. Y por supuesto que internet estará gobernado bajo estos nuevos procesos, donde la teletransportación cuántica será un protocolo clave en la transmisión de información entre las próximas computadoras cuánticas.

En un experimento de teletransportación cuántica, los estados cuánticos -que no la materia- se intercambian entre dos partes sobre distancias que pueden ser, en principio, arbitrariamente grandes. Tal intercambio puede ser utilizado también para la transmisión de mensajes o en la operación de las futuras computadoras cuánticas. En estas aplicaciones, los fotones que codifican los estados cuánticos deben ser transportados sobre grandes distancias de forma confiable y sin comprometer el frágil estado cuántico. El experimento del físico austriaco, en el cual se ha logrado hacer una conexión cuántica adecuada para la teletransportación cuántica sobre distancias mayores a 100 kilómetros, abre nuevos horizontes.

Así, para Xiao-song Ma, uno de los científicos involucrados en el experimento, “la realización de una teletransportación cuántica sobre distancias de 143 kilómetros ha sido un gran reto tecnológico” ya que los fotones se enviaron directamente a través de la turbulenta atmósfera que separa a los dos islas. El uso de fibra óptica no es conveniente para los experimentos de teletransportación cuando se pretende cubrir grandes distancias (como en este caso), ya que la pérdida de señal puede ser muy severa. Para alcanzar su objetivo, el equipo de investigadores tuvieron que implementar una serie de innovaciones técnicas, las cuales pudieron ponerse en práctica gracias a la colaboración de un grupo de teóricos del Instituto Max Planck de Alemania y de la Universidad de Waterloo en Canadá.

El profesor Xiao-song también comentó: “para poder tener éxito en este experimento utilizamos un método conocido como alimentación activa hacia adelante, el cual empelamos por vez primera en un experimento de larga distancia como este y el cual nos ayudó a duplicar la velocidad de transferencia”. En un protocolo de alimentación activa hacia adelante la información convencional es enviada junto con la información cuántica, permitiendo al que la recibe descifrar la señal transferida con alta eficiencia.

“Nuestro experimento muestra lo maduro que se encuentra la tecnología cuántica hoy en día y lo útil que puede ser para aplicaciones prácticas”, afirmó Anton Zellinger. “El siguiente paso será la construcción de un satélite basado en la comunicación cuántica, que será el primer escalón para lograr la comunicación basada en cuantos a nivel global”.

Los resultados han sido publicados recientemente en la revista Nature.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Physorg

 
 

Una nueva técnica permite crear fotones individuales para el procesamiento de información cuántica

Aquí aparecen el estudiante graduado de la Universidad de Georgia, Yaroslav Dudin y el profesor Alex Kuzmich, quienes ajustan la óptica de los instrumentos del laboratorio como parte de la investigación en la producción de fotones simples que se utilizan en el procesamiento de información cuántica y el estudio de ciertos sistemas físicos /Fuente: www,physorg.com

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