Fotones: más rápidos si están solos

La norma de que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, c, es una de las leyes más fundamentales de la naturaleza. Pero dado que este límite de velocidad sólo se ha demostrado experimentalmente para obtener información a través de grandes grupos de fotones, los físicos han especulado recientemente que es posible que los fotones individuales y la información transportada por ellos puede ser capaz de superar la velocidad de la luz. En un nuevo estudio, los físicos han realizado la difícil tarea de producir fotones individuales con formas de onda controlable, y han demostrado que los fotones también obedecer el límite de velocidad c.

La prueba experimental utilizada para detectar la velocidad máxima de un solo fotón.

Los físicos, dirigidos por el profesor Du Shengwang de la Universidad de Hong Kong de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, China, han publicado su estudio sobre la velocidad máxima de un solo fotón en una edición reciente de Physical Review Letters. Los resultados tienen implicaciones para la velocidad máxima de transmisión de información mediante la confirmación de que los fotones solo obedecen a la causalidad, es decir, un efecto no puede ocurrir antes de su causa.

"La mayor importancia de nuestro trabajo es que nuestros resultados experimentales puedan llevarse finalmente al debate sobre la velocidad real de la información transportada por un solo fotón", dijo Du. "Se profundiza nuestro entendimiento de la dualidad onda-partícula de los fotones y la naturaleza de la mecánica cuántica. Y proporciona a las personas una imagen clara de los fotones (ya que el nombre fue inventado por Einstein a más de 100 años) y corrige algunos detalles "equivocados" y confusos expuestos anteriormente."

Con los recientes avances en la tecnología durante los últimos años, muchos grupos de científicos han estado investigando exactamente cómo la luz puede viajar tan rápido. Aunque estudios previos han encontrado que la "velocidad de grupo" de la luz puede viajar más rápido que c, la "velocidad de la señal" - la velocidad a la que viaja la información - no se puede. A la luz de este hallazgo, los científicos se han preguntado si fotones viajan a la velocidad de grupo o de la velocidad de la señal.

Para abordar esta cuestión, y la demostración Du y sus ​​coautores "requiere no sólo la producción de fotones individuales, sino el precursor de la separación óptica, que es la propagación de la onda como en la parte delantera de un pulso óptico, del resto de los fotones. Los experimentos anteriores sobre la base de la propagación de ondas electromagnéticas macroscópica (que implica un montón de fotones) han demostrado que el precursor de óptica es la parte más rápida en la propagación de un pulso óptico. Pero este estudio es el primero en demostrar experimentalmente que los precursores ópticos existentes en el plano de un solo fotón, y que son la parte más rápida del paquete de ondas de un solo fotón.

Con el fin de separar el precursor óptico del resto de los fotones, los científicos generaron un par de fotones, y luego pasaron uno de los fotones a través de un grupo de átomos de rubidio en frío, mientras utilizaban un modulador electro-óptico de forma de onda del fotón. Los átomos presentaron un efecto llamado transparencia electromagnéticamente inducida (IET), que permitió a los científicos separar los precursores de un solo fotón del paquete de ondas principal. Como el precursor óptico y los paquetes de onda principales viajan a través de un segundo grupo de átomos de rubidio, los científicos tomaron mediciones de la velocidad de los dos componentes de fotones.

Los científicos descubrieron que el frente de onda precursor de un solo fotón viaja siempre en c, como la velocidad de la señal de los grandes grupos de fotones. El paquete de ondas principales de un solo fotón viaja más rápido que c en cualquier medio, y se puede retrasar hasta 500 ns en un medio donde la luz lenta la velocidad de grupo es más lento que c.

"En el caso de la luz lenta (con una velocidad más lenta que el grupo c), la parte central del paquete de ondas principal sigue la velocidad de grupo", explicó Du. "Cuando los aumentos de densidad media (con más átomos), la velocidad de grupo disminuye lentamente. En el caso de la luz rápida o superluminal (con una velocidad de grupo más rápido que la velocidad de grupo c o negativo), el paquete de ondas principal parece que se "confunde" y no sigue la velocidad de grupo. ... Estamos seguros de que el paquete de ondas principal no puede viajar más rápido que el precursor, que viaja a c. "

Los resultados coinciden con estudios previos que han analizado los fotones individuales cuyos precursores y la forma de onda principal no han sido separados, han dado como resultado una estructura de oscilación. La interferencia del precursor y el retraso leve de la forma de onda principal puede explicar esta estructura.

Además de traer un cierre al debate sobre la velocidad real de la información transportada por un solo fotón, el resultado de que los fotones individuales no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz probablemente también tienen aplicaciones prácticas, dando a los científicos una mejor comprensión de la transmisión de de la información cuántica.

"Debido a que la amplitud del aumento del precursor óptico tiene menos pérdidas en cualquier medio (si el tiempo de subida es infinitamente corto o cero), los precursores ópticos se pueden utilizar para llevar la información por comunicación óptica en un medio de pérdida o de absorción, tales como la comunicación óptica bajo el agua ", dijo Du, teniendo en cuenta que los precursores ópticos experimentan alguna pérdida en la práctica.

Por el momento, como se explica Du, el precursor óptico de comunicación está limitado por la tecnología actual, por lo que todavía no es práctico. Sin embargo, piensa que la tecnología va a mejorar para que el método entre en competencia con las técnicas actuales de comunicación.

"En el futuro, cuando la tecnología electro-óptica se mejore de tal manera que el aumento de tiempo de elevación puede ser tan corto como <10 femtosegundos y también puede ser detectada por un fotodetector de alta velocidad directamente, por lo que los precursores ópticos tendrán grandes aplicaciones en comunicaciones ópticas; Por supuesto, los precursores de un solo fotón pueden ser utilizados para la comunicación cuántica.

"Se podría argumentar que ahora tenemos láseres de femtosegundos que generan pulsos con una duración de un pocos femtosegundos", señaló. "Sin embargo, no puede codificar información sobre estos pulsos y no se puede medir directamente por un photodector con la tecnología actual."

Fuente:physorg.com
Autor: ESCRITOR DE LETRAS