Las estaciones de radio más pequeñas del mundo

Artículo publicado el 8 de marzo de 2012 en el Instituto Max Planck

Fotones individuales, transmitidos de una molécula a otra, podrían usarse para transportar información cuántica.

Las comunicaciones por radio son ahora posibles en su nivel más elemental: científicos del ETH Zurich y del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz en Erlangen han usado dos moléculas como antenas y han transmitido señales en forma de fotones simples, es decir, partículas de luz, de una a otra. Dado que un fotón aislado normalmente tiene muy poca interacción con una molécula, los físicos tuvieron que usar algunos trucos experimentales para que la molécula receptora registrase la señal lumínica. Una conexión de radio establecida a través de fotones individuales sería ideal para distintas aplicaciones de comunicación cuántica – en criptografía cuántica o en un computador cuántico, por ejemplo.

Las partículas individuales de luz son el medio elegido para transmitir bits cuánticos. En el futuro, las menores unidades de información cuántica podrían reemplazar a los bits convencionales si los ordenadores avanzan a una nueva dimensión de velocidad de cálculo con la ayuda de las especiales propiedades de la física cuántica. En la criptografía cuántica, los fotones aislados ya se usan como portadores de información que no pueden ser interceptados de manera inadvertida – en el intercambio de datos bancarios, por ejemplo.

Conexión de radio entre moléculas

Conexión de radio entre moléculas © Crédito: Robert Lettow


En los experimentos llevados a cabo en el ETH Zurich, los físicos que trabajan junto a Vahid Sandoghdar, que recientemente se convirtió en Director del Departamento de Nano-óptica del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz y es Profesor Humboldt en la Universidad de Erlangen, han transmitido fotones individuales entre las antenas más pequeñas del mundo, es decir, entre moléculas de  dibenzoantantreno (DBATT). “La dificultad de este experimento es que normalmente un único fotón apenas interactúa con una molécula”, explica el director del Max Planck.

La molécula transmisora debe emitir fotones de un color adecuado

Un fotón aislado es casi tan invisible para una molécula como lo es para el ojo humano. Por lo que hasta ahora, los físicos atrapaban átomos o moléculas entre dos diminutos espejos entre los que se reflejaban las partículas de luz un incontable número de veces. Este método aumenta significativamente la probabilidad de que el átomo note el fotón. Para hacer ésto sin espejos, y por tanto crear una interacción directa entre un fotón y una molécula, Vahid Sandoghdar y su equipo de físicos tuvo que usar algunos trucos experimentales.

Primero, los investigadores incrustaron moléculas de tintura de DBATT en capas de otras moléculas orgánicas. Luego colocaron dos de tales capas dopadas con las moléculas de tintura a unos metros de distancia y las enlazaron con un cable de fibra óptica. El siguiente paso fue seleccionar una molécula adecuada para la comunicación por radio en cada una de las dos capas. “Esto significa que la molécula transmisora tiene que emitir fotones del mismo color exactamente que absorbe la molécula receptora”, explica el Profesor Stephan Götzinger, que enseña en la Universidad de Erlangen y también trabaja en el grupo de Vahid Sandoghdar.

Por tanto, no todas las moléculas son adecuadas, debido a que las moléculas de tintura están pegadas entre otras moléculas como pasas en una porción de pastel de frutas. Cuando colisionan las partículas cambia el color de la luz que transmiten o reciben las moléculas, de la misma forma que la masa cambia la consistencia de las pasas. Por tanto los investigadores examinaron el pastel de fruta molecular para moléculas del mismo entorno. También redujeron las colisiones enfriando las muestras a menos 272 grados Celsius, es decir, casi al cero absoluto.

Para un fotón, la frecuencia correcta de la molécula parece ser mayor

Convirtieron entonces una de las dos moléculas en una fuente de fotones individuales irradiándola con un láser. La antena molecular ahora transmitía un flujo de fotones aislados. Los científicos enfocaron este flujo de fotones usando lentes y lo guiaron a través de la fibra de vidrio. Los débiles destellos de luz pasaron posteriormente a través de una nueva lente en el otro extremo. Esto permitió que los investigadores enfocaran los fotones tanto como fuese posible. “Sin embargo, no es posible limitar un fotón en el rango del espectro visible a menos de unos pocos cientos de nanómetros”, dice Stephan Götzinger. Por lo tanto, un fotón puede fácilmente pasar por alto una molécula, que normalmente mide apenas un nanómetro aproximadamente, y simplemente pasa de largo.

“Hace un par de años, advertimos que podemos, no obstante, llegar a una interacción fuerte si la frecuencia del fotón concuerda con gran precisión con la frecuencia de resonancia de la molécula. La molécula entonces parece ser mucho mayor”, dice Vahid Sandoghdar. Esto puede explicarse usando la vibración de un diapasón: los músicos hacen que un diapasón emita una nota golpeándolo contra un objeto duro. El golpe excita todas las frecuencias. Para ilustrar la situación entre la molécula y el fotón, tendría que hacerse vibrar al diapasón colocándolo sobre una base vibratoria. Los extremos sólo vibran si la base vibra exactamente a la frecuencia natural del diapasón, es decir, 440 Hz de la afinación de concierto “A”.

Un objetivo es el intercambio de fotones en la comunicación cuántica de radio

“Un único fotón debe, por tanto, esta muy focalizado en una molécula”, dice Vahid Sandoghdar. “Esto puede sonar fácil, pero en el laboratorio a menos 272 grados Celsius es un desafío que logramos durante sólo un breve instante”.

Gracias al ingenio experimental desarrollado por el equipo de Vahid Sandoghdar, la molécula receptora dispersa un considerable tres por ciento de los fotones transmitidos en la comunicación cuántica por radio. El proceso de dispersión, es decir la absorción y emisión de las partículas de luz, retrasa la onda del tren de luz. Este retraso puede usarse como información. “Podría ser muy útil para el procesado de información cuántica”, dice Vahid Sandoghdar.

Él y su equipo quieren ahora seguir optimizando la radio cuántica probada en el ETH Zurich en Erlangen para aplicaciones en física cuántica. “Estamos trabajando en el aumento de eficiencia de nuestra antena receptora”, dice el investigador. Su equipo querría convertir la comunicación de radio unidireccional en un intercambio real. “Queremos hacer rebotar un fotón adelante y atrás varias veces entre dos moléculas”, explica. Esto interconectaría las propiedades de las moléculas y los fotones intercambiados con gran firmeza: quedarían entrelazados. Tales sistemas entrelazados son de nuevo útiles para el intercambio de datos en el ordenador cuántico, o a través de conexiones cuánticas codificadas, debido a que cada compañero del sistema entrelazado contiene información sobre los otros compañeros. Los físicos crearían entonces una conexión permanente en la radio cuántica.


Fecha Original: 8 de marzo de 2012
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Comments (2)

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