La espiral de luz está revolucionando la computación cuántica

Un nuevo estudio sobre fotones en computación cuántica ha hecho un descubrimiento sorprendente: cuando los fotones chocan, crean vórtices.

Investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias han descubierto un nuevo tipo de vórtice que consiste en… Fotón Interacciones que pueden progresar Estadísticas cuantitativas.

Fenómenos de vórtice

Los vórtices son un fenómeno natural muy extendido y se pueden observar en las formaciones arremolinadas de galaxias y huracanes, así como en entornos más simples, como una taza de té en movimiento o el agua que fluye en una bañera. Normalmente, los vórtices se crean cuando una sustancia que se mueve rápidamente, como el aire o el agua, se encuentra con un área que se mueve más lentamente, creando un movimiento circular alrededor de un eje fijo. Básicamente, los vórtices trabajan para reconciliar las diferencias en las velocidades de flujo entre regiones adyacentes.

Un anillo de vórtice y líneas creadas por el impacto de tres fotones entre sí. El color describe la fase del campo eléctrico, que completa una rotación de 360 ​​grados alrededor del núcleo del vórtice. Crédito: Instituto Weizmann de Ciencias

Descubrimiento de un nuevo tipo de vórtice

Un estudio publicado en 2018 ha descubierto un tipo de vórtice previamente desconocido CienciasFue realizado por el Dr. Lee Drury, el Dr. Bankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar y el Dr. Gal Weiner del laboratorio del profesor Ofer Firstenberg en el Departamento de Física de Sistemas Complejos del Instituto de Ciencias Weizmann. Los investigadores se propusieron buscar una forma eficiente de utilizar fotones para procesar datos en computadoras cuánticas y encontraron algo inesperado: se dieron cuenta de que, en el raro caso de que dos fotones interactúen, crean vórtices. Este descubrimiento no sólo contribuye a la comprensión fundamental de los vórtices, sino que, en última instancia, puede contribuir al objetivo original del estudio de mejorar el procesamiento de datos en la computación cuántica.

Interacciones de fotones y computación cuántica.

La interacción entre fotones –partículas de luz que también se comportan como ondas– sólo es posible en presencia de una sustancia que actúe como mediador. En su experimento, los investigadores obligaron a los fotones a interactuar creando un entorno único: una celda de vidrio de 10 centímetros de diámetro que estaba completamente vacía, a excepción de los átomos de rubidio que estaban tan apretados en el centro del recipiente que formaban un gas pequeño y denso. Una nube de aproximadamente 1 mm de largo. Los investigadores dispararon más y más fotones a través de esta nube, comprobaron su condición a medida que la atravesaban y observaron si se afectaban entre sí de alguna manera.

Cuando la nube de gas estaba en su punto más denso y los fotones estaban cerca unos de otros, ejercían el mayor nivel de influencia mutua.

Interacciones dinámicas en densas nubes de gas.

«Cuando los fotones atraviesan la densa nube de gas, envían varios átomos a estados excitados electrónicamente conocidos como estados de Rydberg», explica Firstenberg. “En estos casos, uno de los electrones en maíz Comienza a moverse en una órbita 1000 veces mayor que el diámetro del átomo no excitado. Este electrón crea un campo eléctrico que afecta a una gran cantidad de átomos vecinos, convirtiéndolos en una especie de “bola de cristal” imaginaria.

La imagen de la bola de cristal refleja el hecho de que el segundo fotón en el área no puede ignorar el entorno creado por el primer fotón y, en respuesta, cambia su velocidad, como si hubiera atravesado el cristal. Por lo tanto, cuando dos fotones pasan relativamente cerca uno del otro, se mueven a una velocidad diferente que si cada uno viajara solo. Cuando cambia la velocidad del fotón, también cambia la ubicación de los picos y valles de la onda que transporta. En el caso ideal para utilizar fotones en computación cuántica, las posiciones de los picos y valles se invierten exactamente entre sí, debido a que los fotones impactan entre sí, un fenómeno conocido como cambio de fase de 180 grados.

Desde abajo a la izquierda en el sentido de las agujas del reloj: D. Lee Drury, Tomer Danino Zohar, Dr. Alexander Poddubny, el profesor Ofer Firstenberg, el Dr. Gal Weiner, Dra. Elon Boehm, Dr. Bankim Chandra Das. Crédito: Instituto Weizmann de Ciencias

Investigación pionera en dinámica de fotones

La dirección que tomó la investigación fue tan única e inusual como la trayectoria de los fotones en una nube de gas. El estudio, en el que también participaron el Dr. Elon Boehm y el Dr. Alexander Poddubny, comenzó hace ocho años y ha visto pasar a dos generaciones de estudiantes de doctorado por el laboratorio de Firstenberg.

Con el tiempo, los científicos de Weizmann lograron crear una nube de gas densa y extremadamente fría llena de átomos. Como resultado, lograron algo sin precedentes: fotones que sufrieron un cambio de fase de 180 grados y, a veces, más. Cuando la nube de gas estaba en su punto más denso y los fotones estaban cerca unos de otros, ejercían el mayor nivel de influencia mutua. Pero a medida que los fotones se alejaron unos de otros o la densidad atómica que los rodeaba disminuyó, la transición de fase se debilitó y desapareció.

El sorprendente comportamiento de los vórtices de fotones

La suposición predominante era que este debilitamiento sería un proceso gradual, pero los investigadores se llevaron una sorpresa: un par de vórtices se desarrollaron cuando dos fotones estaban a cierta distancia. En cada uno de estos vórtices, los fotones habían completado un cambio de fase de 360 ​​grados, y en su centro casi no había fotones, tal como en el centro oscuro que conocemos de otros vórtices.

Los científicos han descubierto que la presencia de un fotón afecta a 50.000 átomos, lo que a su vez afecta al movimiento del segundo fotón.

Información sobre la dinámica de los vórtices de fotones

Para comprender los vórtices de fotones, piense en lo que sucede cuando arrastra una placa vertical a través del agua. El rápido movimiento del agua empujado por la placa se encuentra con el lento movimiento a su alrededor. Esto crea dos vórtices que, vistos desde arriba, parecen moverse juntos a lo largo de la superficie del agua, pero en realidad son parte de una formación tridimensional conocida como anillo de vórtice: la porción sumergida de la placa forma un medio anillo. que conecta los dos vórtices visibles en la superficie, creando Los obliga a moverse juntos.

Otro ejemplo familiar de anillos de vórtice son los anillos de humo. En las etapas finales del estudio, los investigadores observaron este fenómeno al introducir un tercer fotón, añadiendo una dimensión adicional a los resultados: los científicos descubrieron que los dos vórtices observados al medir dos fotones son parte de un anillo de vórtice tridimensional resultante. de la influencia mutua de los tres fotones. Estos resultados demuestran cuán similares son los remolinos recién descubiertos a los conocidos de otros entornos.

Progreso hacia el procesamiento de datos cuánticos

Es posible que los vórtices hayan acaparado la atención de este estudio, pero los investigadores continúan trabajando para lograr su objetivo de procesar datos cuánticos. La siguiente etapa del estudio será disparar fotones entre sí y medir el cambio de fase de cada fotón individualmente. Dependiendo de la intensidad de los cambios de fase, los fotones se pueden utilizar en forma de qubits, las unidades básicas de información en la computación cuántica. A diferencia de los módulos de memoria de computadora normales, que pueden ser 0 o 1, los qubits pueden representar un rango de valores entre 0 y 1 a la vez.

Referencia: “Vórtices cuánticos de fotones que interactúan fuertemente” por Lee Drury, Bankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar, Gal Weiner, Elon Boehm, Alexander Poddubny y Ofer Firstenberg, 13 de julio de 2023, Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.adh5315