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Haces de luz útiles para la información cuántica

Karina Maldonado Portillo
4/abr/2013

Con el premio Nobel otorgado en 2012 a dos experimentos relacionados con el atrapamiento de átomos para el almacenamiento de información cuántica, la computación cuántica se fortalece como una de las ramas más atractivas de la física.

En el Instituto de Física también se están realizando estudios que tienen un impacto en computación cuántica a través de una de sus disciplinas hermanas: la óptica cuántica. Como parte del Seminario Manuel Sandoval Vallarta del 8 de marzo se presentó Yasser Jerónimo-Moreno, investigador en estancia posdoctoral en el IFUNAM, dedicado a estudiar los haces Bessel, un tipo particular de haz de luz a partir del cual se pueden producir fotones individuales con sus mismas características.

El proceso que lleva a cabo el físico para producir fotones se denomina Conversión Paramétrica Descendente Espontánea (SPDC, por sus siglas en inglés). Y consiste, básicamente, en que un haz de luz intenso se propaga a través de un cristal no lineal dando lugar a la emisión de parejas de fotones, las cuales en general constituyen un sistema enredado, es decir que su comportamiento no puede ser descrito a través sólo del entendimiento de sus partes.

Yasser Jerónimo explica que la primera parte de su investigación consistió en bombear un cristal con un láser (una fuente de luz) caracterizado por un perfil gaussiano; al interaccionar este haz con el medio no-lineal se forman dos paquetes de onda unifotónica, uno es la señal y el otro, el acompañante. Este tipo de haz era de un perfil muy sencillo, por eso decidió estudiar haces más complejos como los Bessel.

“Queremos usar haces de luz con estructura más complejas porque de esta manera es posible que los fotones emitidos hereden más propiedades físicas, y por lo tanto incrementen su capacidad para codificar información”, comenta.

Los haces Bessel son favorables para la investigación en información cuántica porque poseen la propiedad de adifraccionalidad. En general, un haz de luz experimenta difracción conforme se propaga, es decir, el haz se va haciendo más amplio espacialmente; sin embargo, haces de luz que mantienen su tamaño finito conforme se propagan en el espacio, se dice que son adifraccionales.

Entre sus resultados más importantes destaca que “los fotones que se emiten por el SPDC pueden poseer momento angular orbital”, una propiedad capaz de hacer que las partículas con las que los fotones interactúan empiecen a rotar. “Una de las cosas más interesantes que suceden es que cuando se usan haces de bombeo con estructura Bessel, los fotones que se generan adquieren también propiedades de estructura Bessel” y por lo tanto pueden tener momento angular orbital.

Jerónimo Moreno explica que estas características funcionan para las investigaciones en información cuántica pues “sirven para poder procesar más información con un solo fotón”, evento que no se puede realizar con haces más sencillos como los de perfil gaussiano.

El doctor en Óptica afirma que esta investigación también tiene aplicaciones en holografía cuántica, que consiste en reconstruir estados cuánticos con haces de luz. Con ella, se elaboran representaciones de los estados de las partículas, por ejemplo, estados en los que hay electrones confinados en alguna cavidad, lo cual permitirá un mejor estudio de los mismos.

Parte del reto de Jerónimo Moreno fue enfocar considerablemente el haz de bombeo incidente sobre un cristal no-lineal, concentrándolo sobre un área muy pequeña (casi puntual) y estudiar sus efectos. La literatura científica menciona que cuando se llega a este punto existen ciertas limitantes, por ello, parte de su investigación fue desarrollar una teoría no paraxial, es decir, una teoría que permite estudiar el SPDC cuando el haz de bombeo se ha enfocado lo más posible.

A nivel experimental esto supone un desafío, pues hay muchas limitantes en el equipo que se utiliza para enfocar un haz a esos niveles. Esta complicación se origina en la naturaleza de las lentes para enfocar los haces, cuyo tamaño impide que enfoquen lo suficiente. Además, al estar muy enfocados aparecen perturbaciones que pueden alterar los resultados obtenidos y la generación de fotones puede “contaminarse” con otros fenómenos.

Entre las aplicaciones de su trabajo, el investigador del IFUNAM destaca el área de la microelectrónica, ya que todavía hay una tendencia a lo pequeño y que por esto son necesarios haces muy enfocados.

Para él, la óptica cuántica es una disciplina relativamente joven en el mundo y en México; sin embargo, dice, se están haciendo esfuerzos para impulsar esta especialidad y más ahora que se encuentra en boga.

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