Vida y muerte de un fotón

ELÍAS TEBAS

Los esfuerzos por comprender la naturaleza de los fotones son muy arduos a lo largo de la historia de la Humanidad, puesto que desde que a finales del siglo XIX se enfrentó la primera gran discrepancia entre las interpretaciones teóricas que suscitaba la teoría clásica de Newton y las evidencias obtenidas en las medidas experimentales, no ha cesado el colectivo ceintífico de efectuar aportaciones de interés que han permitido alcanzar un grado de sofisticación científica, que ha permitido desentrañar los secretos mejor guardados de la naturaleza y el Universo.

Las medidas tienen un sentido en el marco de la teoría cuántica muy contundente porque suponen intervenir en el sistema bajo medida y alterar sus propiedades. En muchos casos, como ocurre con los fotones, medir uno de ellos supone destruirlo. De esta forma el examen de cerca de los fotones quedaba relegado a una mera observación, como de lejos, sucinta y sin posibilidad de repetición, salvo identificando otro de iguales características. Por ello, la noticia, relativamente reciente en el tiempo, de que científicos franceses habían logrado atrapar a un fotón en una cavidad superconductora y habían podido observarlo directamente durante un tiempo, suficiente como para poder concluir que habìan efectuado la observación desde el naciminento hasta la muerte de un fotón.

El interés del hallazgo es muy notable, por cuanto la interrogación al mismo fotón se puede efectuar hasta hacerle contar sus más íntimas relaciones con un conjunto de átomos y obtener conclusiones sobre el entrelazamiento cuántico y la interacción de la radiación con la materia. Son temas de gran actualidad porque en la base de las realizaciones que tienen que ver con la computación cuántica está la necesidad de dominio del entrelazamiento cuántico.

Es bien conocido el método espectroscópico consistente en la observación de la interacción de la radiación con la materia, a través de los tránsitos entre estados cuánticos de átomos, moléculas o iones en los que bien los electrones o los diferentes movimientos internos de las citadas partículas son susceptibles de encontrarse en distintos estados cuánticos. Hasta aquí se conoce y utiliza desde hace mucho tiempo y las tecnologías desarrolladas son muy sofisticadas y permiten el estudio de la transformación de unos sistemas en otros, como consecuencia de la interacción con la radiación o con otros sistemas. Pero los fotones, concebidos como partículas desde que Planck identificó la necesidad de considerarlos como tales, portadores de una cantidad de movimiento y en forma de paquetes de energía que se transfieren de unos sitemas a otros, creando y destruyéndose en estos procesos de transferencia. Los fotones nunca se habían podido "ver", salvo por los efectos que desencadenaban. Los experimentos desarrollados en la Escuela Normal de París bajo la dirección del profesor Haroche han consistido en el empleo de una cavidad óptica donde ha confinado al fotón para poder observarlo al no resultar absorbido y perder la información que llevaba asociada. En la cavidad empleada se han incluido dos espejos superconductores a los que se ha bajado la temperatura hasta valores muy próximos al cero absoluto. La distancia entre los dos espejos fue de solamente 2,7 centímetros y la reflexión de una pared a otra se mantuvo por encima del billón de veces, con lo que la distancia recorrida fue próxima a la circunferencia de la Tierra. De esta forma, se pudo mantener al fotón durante un tiempo suficiente, unos segundos, para poder observarlo directamente y no a través de las alteraciones que le provoca al sistema contra el que impacta, como sería el caso de un átomo o una molécula, proceso en el que resultan aniquilados y dejan de poder observarse de nuevo. La clave para lograr las sucesivas reflexiones ha consistido en el empleo de materiales cuyos estados energéticos no se corresponden con las energías de los fotones observados.

La presencia de los fotones altera ligeramente la frecuencia de las transiciones, como se ponía de manifiesto en las medidas de microondas que se efectuaban desde el exterior de la cavidad. Asignando al átomo el estado 1 cuando hay un fotón en la cavidad y 0 en caso contrario, detectados por las variaciones del campo auxiliar y externo a la cavidad, se identificaron muchos átomos con estado 0 y otros tantos con 1, con lo que de esta forma se podía identificar cuando un fotón había estado atrapado en la cavidad. El tiempo que permanecían los fotones atrapados era en torno a una décima de segundo, aunque en casos alcanzaron hasta medio segundo, tras lo que desaparecían de la cavidad. Estos momentos en que los fotones aparecen o desaparecen en la cavidad resultan corresponder al azar. La transferencia de la información a un sistema material se lleva a cabo cientos de veces sin alterarse y queda en evidencia el hecho de que el mismo fotón interacciona con un gran número de átomos y no solamente con uno como se creía. Y esto es muy relevante al evidenciar que las partículas, en este caso fotones, pueden estar en varios sitios a la vez, de lo que quieren tomar ventaja las actuales investigaciones sobre la computación cuántica que pretende llevar a cabo cálculos más complejos que los que actualmente se llevan a cabo en los ordenadores.

El terreno en el que poco a poco nos vamos sumergiendo es de enorme interés, por un lado, pero no exento de inquietudes por los aspectos contraintuitivos que subyacen y que retan al sentido común clásico en el que las entidades materiales se comportan de forma bien diferente y en los que tenemos puesto todo nuestro entendimiento en el que la noción de causalidad e individualidad de las interacciones y cuerpos materiales forman la base del desarrollo científico convencional. El entrelazamiento de luz y materia en una especie de comanditaria compartición de la información abre nuevas posibilidades al desarrollo científico y tecnológico, aplicacbles al desarrollo de nuevos dispositivos e instrumentos.

Se abre la opción a obtener varias veces la información asociada a un fotón. Si tenemos en cuenta que el elemento que transporta, prácticamente toda la información del Universo, es, justamente, la luz, nos encontramos ante un hallazgo de suma trascendencia en el ámbito científico y tecnológico.