A continuación se reproduce una nota periodística publicada en el diario ABC de España el pasado mes de septiembre:
Un rayo de sol entra por la ventana e ilumina la habitación. A primera
vista no parece algo extraordinario, pero la Mecánica Cuántica nos dice que ese
rayo luminoso está formado por trillones y trillones de pequeños «paquetes de
luz» individuales, los fotones, moviéndose a 300.000 kilómetros por segundo.
Sin embargo, nadie ha conseguido ver un fotón individual, ni saber qué forma
tiene, si es que tiene alguna. Es más, podría ser que ni siquiera tenga sentido
formularse esas preguntas.
Ahora, un equipo de investigadores polacos han conseguido crear, por
primera vez en la historia de la Ciencia, el holograma de una partícula
individual de luz. El hito, conseguido gracias a la observación de las
interferencias que se producen cuando dos rayos de luz se cruzan, constituye un
importante avance hacia la comprensión de la naturaleza íntima de la luz. Los
resultados de este trabajo, además, podrían ser importantes para el desarrollo
de tecnologías que necesiten comprender qué forma tiene un fotón, como sucede
con las telecomunicaciones y los ordenadores cuánticos.
«Llevamos a cabo un experimento relativamente simple para medir y poder ver
algo que es increíblemente difícil de observar», explica Radoslaw Chrapkiewicz,
físico de la Universidad de Varsovia e investigador principal del estudio que
se acaba de publicar en Nature Photonics.
Desde hace cientos de años, los físicos han trabajado muy duro para
intentar comprender de qué está hecha la luz. Y en el siglo XIX el debate
pareció quedar zanjado gracias a James Clerk Maxwell, que describió la luz como
una onda electromagnética. Pero las cosas, en realidad, son bastante más
complicadas, y a principios del siglo XX el físico alemán Max Planck, que por
aquel entonces era compañero de su compatriota Albert Einstein, demostró que la
luz estaba hecha de pequeños «paquetes» invisibles a los que llamó fotones.
Años más tarde, en la década de 1920, el físico austríaco Erwin
Schröedinger refinó estas ideas en su famosa ecuación de función de onda
cuántica, capaz de predecir con extraordinaria precisión los resultados de
experimentos con fotones. Un éxito, sin embargo, que no ha evitado que los
físicos sigan preguntándose sobre el verdadero significado y naturaleza de esa
función de onda. Ahora, y por primera vez, los investigadores de la Universidad
de Varsovia han conseguido representar y medir las formas descritas por la
ecuación de Schröedinger en un experimento real.
Los fotones, al desplazarse como ondas, pueden estar en la misma fase. Pero
si interactúan, producen una señal brillante. Si por el contrario sus fases se
oponen, entonces se anularán los unos a los otros. Es algo parecido a lo que
sucede con las ondas sonoras emitidas por dos altavoces y que producen picos de
sonido agudos y graves en una habitación.
La imagen obtenida por los científicos, llamada holograma porque lleva información
tanto de la forma como de la fase de onda del fotón, fue creada disparando al
mismo tiempo dos rayos de luz hacia un divisor de haz (un instrumento óptico
que divide un rayo luminoso en dos). El divisor de haz se comporta como si
fuera un cruce de carreteras, una intersección que cada fotón puede rodear o
cruzar directamente, lo que depende de la forma de sus funciones de onda.
Para cada fotón individual, cualquiera de las dos posibles trayectorias es
igualmente probable. Pero cuando dos fotones diferentes se aproximan a la vez a
la intersección, ambos interactúan y el resultado varía por completo. De este
modo, el equipo se dio cuenta de que si conociera la función de onda de uno de
los dos fotones, sería fácil averiguar la forma de la segunda a partir de las
posiciones de los destellos que se van produciendo en el detector. Sería algo
así como disparar dos balas una contra otra y utilizar después sus trayectorias
desviadas por la colisión para averiguar la forma de cada proyectil.
Cada nueva ronda del experimento producía dos destellos en el detector, uno
para cada fotón. Y después de más de 2.000 repeticiones, empezó a aparecer un
patrón en esos destellos, gracias al que los investigadores pudieron
reconstruir la función de onda del segundo fotón.
La forma de la imagen resultante se parece a una cruz de Malta, y es
exactamente la que predice la ecuación de función de onda de Schröedinger. En
los brazos de la cruz, donde los fotones están en fase, la imagen es más
brillante, mientras que las zonas en las que las fases se oponen aparecen más
oscuras.
Para Michal Jachura, coautor del estudio, el experimento «nos lleva a estar
un paso más cerca de comprender qué es realmente una función de onda», y podría
constituir una nueva herramienta para estudiar las interacciones entre fotones,
algo de suma utilidad a la hora de desarrollar tecnologías como las
telecomunicaciones o la computación cuánticas.
Ahora, los investigadores tratarán de dar un paso más y recrear funciones
de onda de objetos cuánticos más complejos, como por ejemplo, átomos completos.
«Puede que las aplicaciones reales de la holografía cuántica tarden décadas en
aparecer -concluye Konrad Banaszek, otro de los miembros del equipo-. Pero si
hay algo de lo que podemos estar seguros es de que serán sorprendentes».
