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Un fotón no es una onda o una partícula, sino un objeto cuántico irreducible

Actualidad Informática. Un fotón no es una onda o una partícula, sino un objeto cuántico irreducible. Rafael Barzanallana. UMU

Físicos del laboratoire de Physique de la Matière Condensée – LPMC (CNRS/UNS), del laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques – MPQ (CNRS/Univ. Paris Diderot) y de l’institut des Sciences Moléculaires d’Orsay – ISMO (CNRS/Univ. Paris Sud) han publicado en la revista Science, su trabajo en torno a las  propiedades de los fotones. En el campo de la física cuántica, el equipo ha hecho un gran descubrimiento. En efecto, se ha podido demostrar por primera vez, la transición entre los aspectos de onda y partícula de un fotón.

Este descubrimiento pone un «punto final» en el panel de discusión que se inició hace varias décadas en torno a los marcos de comportamiento que podrían ser consideradas como ondas o partículas. También abre nuevos caminos en la seguridad de las comunicaciones mediante la encriptación considerada inviolable, a través de la criptografía cuántica.

Propiedades específicas de fotones

En un enfoque nuevo, explican los investigadores, que se presenta a menudo como un objeto cuántico según el caso, ya sea una partícula localizada espacialmente y no puede interferir, o una onda, susceptible  de tener interferencias localizadas. La experiencia reciente muestra claramente que es necesario abandonar este punto de vista simplista: el comportamiento de un objeto cuántico, como el fotón no puede reducirse a una descripción binaria en términos clásicos de onda o partícula. Los investigadores han observado  fotones en estados de ondas y de partículas, aspectos se superponen en proporciones manejables. Esta propiedad también se demuestra en un experimento de «elección retardada».

Los experimentos sobre la dualidad onda / partícula se realizan mediante el envío de un objeto cuántico, como un solo fotón en un interferómetro. El fotón se encuentra con un divisor de haz primero. Si se coloca un detector en frente de cada una de las dos salidas de este  divisor, el fotón es detectado, ya sea uno u otro lado con una probabilidad del 50% para cada alternativa. Si, en cambio, las dos trayectorias se recombinan utilizando un segundo divisor de haz para formar un interferómetro, se observó interferencia en el dispositivo de salida, signos de comportamiento de las ondas.

Los físicos usaron un truco, por una parte para conseguir un interferómetro abierto para una de las polarizaciones del fotón y cerrado para el otro y, en segundo lugar, para llevar a cabo el experimento con fotones gemelos y entrelazados, es decir que tienen correlaciones cuánticas no separables. Mientras que un fotón, el fotón «test«, fue enviado al dispositivo, el segundo, que denotaremos  «gemelo» fue enviado a través de una fibra óptica a una  habitación  a distancia de 20 metros (para evitar la interferencia causal) y el otro de la demora con el fin de garantizar un período de 20 nanosegundos en la detección y por lo tanto la posibilidad de una selección de una base de detección posterior a la detección del prime rfotón (en el marco del laboratorio).

Objeto cuántico irreductible

La postselección de los eventos correspondientes a una polarización dada de gemelos entonces permitió a los autores considerar los hechos por los que se detectó el primer fotón por un interferómetro abierto ( tipo de detección de partículas), cerrado (tipo de detección de onda) o una combinación lineal de estos dos comportamientos. En este último caso, el fotón de prueba está en un estado de superposición de un tipo de «onda» y una instrucción como «partícula» y esto en proporciones manejables. Las medidas, en consonancia con las predicciones de la teoría cuántica, demuestran que es necesario dar una dualidad. Un fotón no es una onda o una partícula, sino un objeto cuántico irreducible.

Es posible la generación de materia y antimateria de la nada

Bajo condiciones ideales – que implican una alta intensidad de un haz láser y 1 600 metros de largo y dos aceleradores de partículas –  podría ser posible crear algo de la nada, de acuerdo con investigadores de la Universidad de Michigan (EE.UU.).

Los científicos e ingenieros han desarrollado nuevas ecuaciones que muestran cómo un haz de electrones de alta energía en combinación con un pulso láser intenso puede destrozar un vacío dando origen a componentes fundamentales de materia y antimateria, y se desataría una cascada de eventos que generan pares adicionales de partículas y antipartículas.

«Ahora podemos calcular como, a partir de un solo electrón, varios cientos de partículas pueden ser producidas. Creemos que esto sucede en la naturaleza, cerca de púlsares y estrellas de neutrones», dijo Igor Sokolov, un científico de investigación en ingeniería que realizó esta investigación junto con el científico investigador asociado John Nees,  profesor emérito de ingeniería eléctrica Gerard Mourou y sus colegas de Francia.

En el corazón de este trabajo está la idea de que el vacío no es exactamente nada. «Es mejor decir, siguiendo al físico teórico Paul Dirac, que el vacío, o nada, es la combinación de materia y antimateria – partículas y antiparticles. Es tremendo, pero no podemos percibir cualquiera de ellos, porque sus efectos observables por completo se anulan entre sí «, dijo Sokolov.

La materia y la antimateria se destruyen entre sí cuando entran en contacto en condiciones normales.

«Pero en un fuerte campo electromagnético, esta aniquilación, que suele ser un mecanismo disipador, puede ser el origen de nuevas partículas,» dijo Nees. «En el curso de la aniquilación, los fotones gamma aparecen, y pueden producir electrones y positrones adicionales. »

Un fotón gamma es una partícula de  luz de alta energía. Un positrón es un anti-electrón, una partícula de imagen especular con las mismas propiedades que un electrón, pero una carga opuesta, positiva.

Los investigadores describen este trabajo como un gran avance teórico, y un «salto cualitativo en la teoría.»

Un experimento de finales de los 90 del siglo pasado logró generar a partir de un vacío  fotones gamma y un par electrón-positrón ocasional.  Estas nuevas ecuaciones llevan este trabajo un paso más al modelo de cómo un campo láser fuerte podría promover la creación de más partículas que las que se inyectan inicialmente en un experimento a través de un acelerador de partículas.

«Si el electrón tiene una capacidad para convertirse en tres partículas dentro de un plazo muy corto, esto significa que no es un electrón por más tiempo», dijo Sokolov.  «La teoría del electrón se basa en el hecho de que será un electrón para siempre. Pero en nuestros cálculos, cada una de las partículas cargadas se convierte en una combinación de tres partículas, más un cierto número de fotones.»

Los investigadores han desarrollado una herramienta para poner en práctica sus ecuaciones en el futuro en una escala muy pequeña con el láser HERCULES en la UM. ara probar el potencial completo de su teoría, un láser tipo HERCULES tendría que ser construido en un acelerador de partículas como el SLAC National Accelerator Laboratory en la Universidad de Stanford. Dicha infraestructura no está actualmente prevista.

Este trabajo podría tener aplicaciones en la fusión por confinamiento inercial, lo que podría producir energía más limpia en las reacciones de fusión nuclear, dicen los investigadores. Para Sokolov, es fascinante desde una perspectiva filosófica.

«La pregunta básica ¿qué es un vacío, y lo que es nada, va más allá de la ciencia», dijo. «Está profundamente arraigado en la base no sólo de la física teórica, sino de nuestra percepción filosófica de todo – de la realidad, de la vida, incluso la cuestión religiosa, que todo el mundo podría haber venido de la nada.»

Un artículo sobre este trabajo ha sido publicado en Physical Review Letters.

Sokolov es un científico investigador del Laboratorio de Investigación de Física Espacial del Departamento de Atmospheric, Oceanic and Space Sciences. Nees es un científico investigador asociado en Center for Ultrafast Optical Science y profesor asociado adjunto en el Departamento de Electrical Engineering and Computer Science.  Mourou es el AD Moore distinguido profesor emérito de Ingeniería Eléctrica que se encuentra actualmente en  el Institut de la Lumiere Extreme en Francia.  También contribuyeron Natalia M. Naumova, en el Laboratoire d’Optique Appliquee en Francia.

Esta investigación fue financiada en parte por el Departamento de Energía de EE.UU.

Fuente:  ScienceDaily

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Enlaces de interés:

–  Actualidad informática:  Física

–  La energía es única. Física y pseudociencias

–  Historia de la medida de la velocidad de la luz.

Teletransportan fotones 144 km

Un equipo de científicos austríacos, liderado por el conocido físico Anton Zeilinger, ha batido un nuevo récord al conseguir transferir fotones entrelazados entre las islas españolas de La Palma y Tenerife, a 144 kilómetros de distancia, sin ningún tipo de conexión.

Así informó la televisión pública austríaca ORF, destacando que el «teletransporte» se efectuó «simplemente a través del aire».

Según los científicos, el experimento supone un importante paso adelante para la criptografía cuántica a través de satélite.

El fenómeno de la física cuántica se basa en que dos partículas entrelazadas, es decir, que comparten el mismo estado cuántico, mantienen su vínculo mutuo a cualquier distancia.

Los experimentos de Zeilinger se basan en el fenómeno de los «fotones cruzados», descrito por el premio Nobel Albert Einstein por su «efecto fantasmagórico a distancia».

Zeilinger y su equipo de la Universidad de Viena llevan años trabajando en este campo con resultados innovadores que, entre otros, pueden aplicarse a la codificación de mensajes totalmente resistentes a cualquier intento de descifrado.

Con ello, se permitiría la transmisión de datos segura, ya que cualquier interferencia para leer el código tendría un impacto inmediato en todo el sistema.

En 1997 Zeilinger fue el primero en demostrar el teletransporte cuántico en Viena, entre las dos orillas del río Danubio y, a partir de entonces, fue aumentando el número de fotones entrelazados y la distancia cubierta.

Ya en 2007, Zeilinger había demostrado que es posible enviar fotones entrelazados entre La Palma y Tenerife, pero entonces sólo se envío un fotón, mientras la partícula compañera quedó en La Palma.

Ahora, el equipo de científicos del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austríaca de las Ciencias (u00D6AW) y de la Facultad de Física de la Universidad de Viena logró enviar a ambos fotones entre las islas.

Ahora, el sexagenario y renombrado profesor sueña con usar satélites para desarrollar la criptografía cuántica.

En ese sentido, el siguiente objetivo es emplear la Estación Espacial Internacional (ISS) como laboratorio desde el que teletransportar fotones.

Aunque los 144 kilómetros entre las dos islas es una distancia menor a la altura en la que se encuentra la ISS, los científicos creen estar muy cerca de poder lograr su objetivo porque la densidad de las moléculas de la atmósfera se reduce considerablemente con la altura.

Fuente:  informacion.es

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