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Hallada una extraña propiedad de la luz

Una representación del interferómetro. Las ondas separadas interfieren y producen un patrón de bandas característico, siempre que se desconozca cuál de los dos caminos ha recorrido el fotón. Si es posible conocer por cuál de los dos brazos ha viajado el fotón, las bandas desaparecen. NLTK/Tentaris/Maciej Frolow.


 

Una variación de un sencillo experimento inventado hace 200 años revela un comportamiento insólito de las ondas que puede tener aplicaciones en criptografía

Un equipo de investigadores polacos ha descubierto un comportamiento de la luz desconocido hasta ahora y que difícilmente encaja en el esquema empleado para describir las propiedades que gobiernan la transmisión de las ondas. Los físicos, de la Universidad de Varsovia y de la Universidad de Tecnología de Gdansk, emplearon una variación de un sencillo experimento clásico que el científico inglés Thomas Young inventó hace más de 200 años para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz.

Durante casi tres siglos, los físicos discutieron si la luz estaba compuesta por ondas o por partículas. Los fenómenos de la reflexión en los espejos y la refracción a través de las lentes sirvieron a Newton para defender la naturaleza corpuscular de la luz. Nada más comenzar el siglo XIX, Young caldeó el debate al demostrar la difracción, consistente en la capacidad de la luz de dividirse al encontrar obstáculos y producir patrones de interferencias que revelaban el comportamiento de una onda. No fue hasta el siglo XX que la doble naturaleza de la luz quedó demostrada gracias a Albert Einstein y su explicación del efecto fotoeléctrico, el mismo que abre las puertas de los ascensores. El llamado cuanto de luz descrito por Einstein fue luego rebautizado como fotón.

El experimento de Young fue tan esclarecedor que su principio aún hoy se utiliza en los interferómetros, aparatos que sirven para fines tan dispares como estudiar las estrellas o evaluar la calidad de las fibras textiles. Young hizo pasar un fino haz de luz a través de dos pequeñas rendijas paralelas en una placa. Las dos ondas generadas a partir de la onda original interfieren entre sí, imprimiendo en una pantalla un patrón de franjas claras y oscuras correspondientes a los lugares donde los picos de las ondas se suman o se contrarrestan. Ahora bien, ¿qué ocurre con el fotón? Está claro que la partícula no puede dividirse en dos mitades. Es posible determinar por cuál de las dos vías discurre, pero al observarlo se destruye la interferencia y por tanto el patrón de bandas, al obligar a la luz a comportarse como partícula. Esta facultad del observador de modificar el sistema solo con observarlo es una propiedad del mundo cuántico que se refleja en el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, una de las bases fundamentales de la mecánica de partículas.

Algunas cualidades de las ondas, como la frecuencia y la longitud de onda, se refieren a su transmisión en el espacio. Pero además,  tanto las ondas como sus partículas asociadas poseen otras propiedades internas tales como la polarización y el espín. La primera es la capacidad de su campo eléctrico de vibrar en un plano, mientras que el segundo es una característica intrínseca dinámica de las partículas subatómicas que no tiene un paralelismo en el mundo de los objetos. “Hasta ahora, se ha asumido generalmente que las propiedades como el espín y la polarización no afectan a la interferencia”, señala el coautor del nuevo estudio Konrad Banaszek. “Decidimos estudiar este asunto en profundidad, y los resultados nos han sorprendido”, revela.

Los investigadores hicieron pasar fotones individuales a través de un interferómetro. En lugar de dos rendijas, el aparato posee dos cristales de calcita que dividen la onda y luego recombinan las resultantes para provocar la interferencia. Entre ambos cristales, los científicos colocaron un elemento para alterar la polarización de las ondas. Según la doctrina clásica, esta manipulación no debería afectar a la interferencia.

Sin embargo, no fue así. Según publican los científicos en Nature Communications, la polarización de los fotones, así como otros grados de libertad internos del mismo tipo, afectan a la interferencia entre los dos brazos del interferómetro. Según la noción clásica, los investigadores pudieron detectar el fenómeno a través de la relación entre la visibilidad del patrón de bandas resultante de la interferencia y la información obtenida sobre el camino seguido por la partícula a través del aparato. “Fuimos capaces de usar las mediciones de las bandas de interferencia para determinar cuánta información se había filtrado durante la transmisión del fotón a través del interferómetro”, apunta el coautor del trabajo Michal Karpinski.

Para explicar qué significaría este extraño comportamiento de la luz si se aplicara a la mecánica clásica, es decir, al mundo de los objetos que podemos ver y tocar, el coautor del estudio Pawel Horodecki utiliza una analogía: “Es como si la calidad de un servicio de mensajería, por ejemplo, en cuanto a si un jarrón de cristal llega de una pieza, dependiera de si el jarrón es verde o rojo. En nuestro mundo el color no influye en si el jarrón llega intacto o no. Sin embargo, el estado de los paquetes que nuestro ‘mensajero cuántico’ entrega sí depende de propiedades internas que aparentemente no tienen nada que ver con la interferencia”.

El trabajo puede encontrar aplicaciones en el campo de la criptografía cuántica, un método de cifrado y descifrado que se basa en el uso de partículas subatómicas y que aprovecha el principio de incertidumbre para crear una clave que no puede ser violada por terceros, ya que una intrusión altera el comportamiento. Los investigadores sugieren que la seguridad de la encriptación puede beneficiarse al introducir nuevas variables como el espín: “Ciertas estrategias de espionaje requerirían que el remitente emplee espines aleatorios para garantizar la seguridad”, escriben en su estudio.
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