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28 de Abril de 2019
Óptica cuántica

Correlaciones detectadas en un vacío cuántico

Tal y como lo describe la mecánica cuántica, el vacio es quizá el estado más fundamental, pero también más misterioso, de la física. El descubrimiento de correlaciones entre las fluctuaciones del campo eléctrico en un vacío así representa un gran avance.

El Cuadrado negro de Malevich se craqueló. El vacío físico tampoco es una nada perfecta e inalterable [Galería Tretyakov].

Según un sorprendente resultado de la mecánica cuántica, no es que en el vacío no haya nada. De la nada aparecen partículas que subsisten un muy breve período de tiempo. Cabe entender este fenómeno como una consecuencia del principio de incertidumbre de la energía y el tiempo, según el cual restringir una medición a un tiempo sumamente corto conduce a grandes fluctuaciones de energía en ese intervalo. Aunque se han estudiado bien los efectos indirectos de esas partículas «virtuales», solo se vuelven «reales» y se las puede observar directamente cuando se sondea un vacío en escalas de tiempo muy cortas. Pero estas partículas, ¿aparecen de manera completamente aleatoria o están correlacionadas en el espacio y el tiempo? Ilenea Cristina Benea-Chelmus, el Instituo de Electrónica Cuántica del Instituto Federal de Tecnología suizo, en Zúrich, y sus colaboradores han publicado en Nature una respuesta a esta pregunta al hallar correlaciones entre las fluctuaciones del campo eléctrico de un vacío.

Una forma de medir las correlaciones de los campos es mediante las interferencias, tal y como ocurría en el experimento del físico británico dle siglo XIX Thomas Young, donde las ondas de luz pasaban por dos rendijas e interferían entre sí, con lo que se veía un patrón de  interferencia en una pantalla. Este experimento, simple pero profundo, se concibió para estudiar efectos ondulatorios; más tarde serviría para iluminar la dualidad entre las partículas y las ondas en mecánica cuántica. En el pasado se han ido efectuando variaciones del experimento de las dos rendijas con fotones, electrones, átomos y moléculas grandes. Los intentos actuales buscan incluso interferencias por múltiples trayectorias con objetos biológicos, con virus, por ejemplo.

Una tarea no menos contraria a la intuición es la búsqueda de interferencias entre partes de un vacío distintas. Benea-Chelmus y sus colaboradores dedicaron su estudio experimental precisamente a eso. Si se quiere una explicación sencilla, conceptual, de lo que han hecho piénsese en una versión del experimento de la doble rendija en la que se utiliza un instrumento llamado interferómetro de Mach-Zehnder. Limitemos además la exposición a las correlaciones en el tiempo y tomemos en consideración el caso de que sobre el interferómetro incida radiación térmica.

Un divisor de haz la divide entonces la radiación en dos partes iguales. Cada una se propaga por su propio «brazo» del interferómetro antes de pasar por un segundo divisor de haz y de que las capten dos detectores. En uno de los brazos hay un dispositivo que recibe el nombre de línea de retraso, que introduce un tiempo variable de retraso en la propagación de una parte con respecto a la otra. Las propiedades de correlación de la radiación se determinan a partir de la variación de la intensidad medida por uno u otro de los detectores en función del tiempo de retraso. Se observará un patrón de interferencia perfecto (uno que tiene su máxima visibilidad) si la intensidad oscila entre un cierto valor máximo y cero.

Pese a que la radiación térmica es completamentre caótica, en ese montaje experimental se ve un patrón de interferencia casi perfecto cuando los retrasos son pequeños. Sin embargo, cuando estos superan una cierta cantidad, dependiente de la temperatura, llamada tiempo de coherencia, la amplitud de las oscilaciones con respecto al valor máximo decae rápidamente y el valor mínimo deja de ser cero. Benea-Chelmus y sus colaboradores obsevaron ese comportamiento en su experimento a temperatura ambiente (300 grados kelvin) y obtuvieron que el tiempo de coherencia concordaba con las predicciones experimentales.

Si la temperatura baja unos grados kelvin, se elimina la radiación del intervalo de frecuencias de los terahercios (THz), relevante para experimentos así. Por ejemplo, a 4 K no hay, a todos los efectos, fotones con frecuencias mayores que 0,2 THz. Como resultado, en el montaje ordinario la amplitud máxima de las oscilaciones cae a cero y no hay rastro de correlaciones. Lo notable es que el equipo de Benea-Chelmus encontró que todavía podía observar correlaciones a 4 K en su versión del montaje. Interpretaron esas señales como una huella directa de correlaciones en el campo eléctrico del vacío.

Los autores lo lograron gracias a un método de detección muy depurado, que se basa en una rama de investigación conocida como óptica no lineal. Aporta simultáneamente dos componentes clave, que se pueden representar por medio de un interferómetro de Mach-Zehnder modificado. El primero es un par de elementos, llamados puertas temporales, que «observan» campos eléctricos en ventanas de tiempo ultracortas (las dos observaciones difieren en un retraso temporal). En el experimento de Benea-Chelmus y sus colaboradores, esas puerta se implementan mediante unos pulsos ultracortos auxiliares de luz casi infrarroja que interaccionan con el vacío en un cristal óptico no lineal. El segundo es un par de detectores directamente sensibles a los campos eléctricos que hayan pasado por las puertas temporales y a las correlaciones en esos campos.

Benea-Chelmus y sus colaboradores señalan que la máxima amplitud de las oscilaciones, aunque no era cero, era tan pequeña que se necesitaba nada menos que un billón de sucesos de detección individual para cada valor del retraso temporal a fin de que las correlaciones fuesen distinguibles de las funciones aleatorias inducidas por la medición (el ruido). Un número tan alto de sucesos llevó un tiempo de unas tres horas con una ritmo de repetición de 80 MHz. Un aspecto intrigante de este procedimiento de detección que merece que se lo investigue más es el efecto del propio procedimiento de detección, incluido el uso de las puertas temporales, en los campos medidos (que una medición afecte cuánticamente a lo medido recibe el nombre de quantum back-action, algo así como acción cuántica de vuelta).

Trabajos anteriores describieron cómo se materializan los fotones en un vacío para unos observadores hipotéticos de breve vida que, a causa de que la velocidad de la luz es finita, solo pueden acceder a la información que procede de regiones limitadas del espaciotiempo, los llamados diamantes espaciotemporales. Al tomar en cuenta múltiples observadores en esas condiciones, se ha mostrado que los fotones exhiben unas correlaciones cuánticas que responden al fenómeno conocido comio entrelazamiento, El campo de la óptica cuántica empezó con experimentos simples que estudiaban las correlaciones de amplitud e intensidad en campos ópticos, pero ahora expone y aplica protocolos basados en el entrelazamiento muy sofisticados con tecnologías cuánticas nacientes. Los resultados de estos autores quizá sean el primer paso hacia una óptica cuántica ultrarrápida que un día observará  y controlará el entrelazamiento oculto en el vacío del espaciotiempo y en estados fundamentales no triviales de sistemas en los que interaccionan la luz y la materia.

Andrey S. Moskalenko y Timothy C. Ralph / Nature

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Electric field correlation measurements on the electromagnetic vacuum state», de Ileana Cristina Benea-Chelmus et al. en Nature, volumen 568, páginas 202–206 (2019); puede leerse la prepublicación en arXiv: 1809.01785 [quantum-pH].

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