La búsqueda de manifestaciones cuánticas coherentes a escala macroscópica es actualmente intensa. En especial, con la fabricación de nanoestructuras semiconductoras se ha podido llegar a un nivel de control tanto espacial como temporal donde esos efectos cuánticos asombrosos pudieran ser demostrados.En este artículo se presenta una revisión crítica de resultados recientes sobre la creación de estados cuánticos enredados en sistemas de puntos cuánticos, la observación de su decoherencia en escalas de tiempo del orden de picosegundos, así como también la transferencia de coherencias entre un estado cuántico macroscópico tipo condensado de Bose-Einstein y la luz que emite. Comprender las propiedades del mundo que nos rodea desde el conocimiento básico de que todo objeto material está hecho de partículas (átomos) en perpetuo movimiento, ha sido uno de los mayores logros de la física del siglo XX. Es así como la teoría que conecta el conjunto de leyes fundamentales de la dinámica y estructura de la materia a escala atómica, la denominada física cuántica, ha demostrado en los últimos 80 años una serie de éxitos sin precedentes en la historia de esta ciencia. Es una teoría ampliamente corroborada y en algunos casos con predicciones paradójicas o contra-intuitivas, aunque experimentalmente bien demostradas. El rango de fenómenos a los que ha sido aplicada esta teoría fundamental de la física es enorme. Inicialmente se desarrolló alrededor de los resultados de la espectroscopía atómica, de donde se pasó a comprender el mundo sub-atómico (física nuclear y de partículas) y el mundo supra-atómico (física molecular y del estado sólido). Muchas tecnologías modernas serían imposibles sin la física cuántica: basta recordar que todas las tecnologías informáticas actuales están basadas en el entendimiento cuántico de los semiconductores o que la fabricación de láseres descansa en el conocimiento de los procesos cuánticos elementales de la interacción de la radiación y la materia.
La física cuántica ha representado igualmente una nueva forma de ver el mundo donde las probabilidades, las incertidumbres y las superposiciones representan el conocimiento más profundo y exacto que podemos tener de un sistema físico. Esta nueva perspectiva ha abierto una puerta para entender y manipular la información a un nivel mucho más profundo. De una primera era donde el interés se centró en comprender y explicar las estructuras a nivel atómico estamos entrando en una segunda revolución donde el énfasis está en el control de las correlaciones espaciales y temporales que poseen los sistemas cuánticos. Muy recientemente se han logrado fabricar nanoestructuras de estado sólido que han permitido ampliar el rango de sistemas donde los efectos de las coherencias y correlaciones cuánticas pueden manifestarse a escalas meso- y macroscópica. La interacción de la luz con los sistemas materiales a distintas escalas de tamaño ha sido el elemento clave para comprender los secretos de la naturaleza. En este artículo se pasa revista a algunos de los hitos más importantes en esta búsqueda de efectos de coherencias cuánticas a escala macroscópica a la par que se sintetizan algunos resultados obtenidos por el autor y sus colaboradores en los últimos años, especialmente en el campo de las nanoestructuras semiconductoras en tres frentes: la generación de estados altamente enredados en sistemas de puntos cuánticos, la pérdida de coherencia cuántica en escalas de tiempo ultra-cortas y la transferencia de coherencias cuánticas entre la luz y sistemas de materia condensada.
El efecto de correlaciones cuánticas (o enredamiento, entanglement) en las propiedades Estructurales y dinámicas de sistemas abiertos de muchas partículas es uno de los problemas que más atención atrae en la actualidad. El enredamiento cuántico es uno de los fenómenos mas sutiles e intrigantes en la naturaleza. A pesar de posibles paradojas que inicialmente se asociaron con el enredamiento cuántico hoy en día se ve como una fuente importante para el procesamiento cuántico de la información (PCI) con aplicaciones ya demostradas en teleportación cuántica, criptografía y codificación densa [Nielsen, 2000]. La física cuántica ha contribuido al desarrollo de la información clásica en al menos dos formas, que pueden ser denominadas evolucionaria y revolucionaria. En la etapa evolucionaria la teoría cuántica ha sido usada como una herramienta para aprovechar ciertas propiedades estructurales de dispositivos que van evolucionando siempre hacia escalas de dimensionas más reducidas. Por el contrario, en la etapa revolucionaria la física cuántica aporta nuevas y radicalmente diferentes formas de manipular la información en la medida en que en lugar de mejorar dispositivos ya existentes propone dispositivos que manejan la información de acuerdo con las leyes físicas más fundamentales. Podemos decir que estamos entrando en la era de la tecnología cuántica. El enredamiento, el paradigma de las correlaciones puramente cuánticas, es entonces un nuevo recurso que como magnitud física que es, admite ser cuantificado y transformado. Sin embargo, el enredamiento cuántico es una propiedad muy frágil, que puede ser destruida por la interacción del sistema de interés con el medio. Este proceso de pérdida de enredamiento se ha denominado decoherencia.
Este efecto es el principal obstáculo para el desarrollo práctico del PCI. En general, la decoherencia es un proceso muy rápido que depende esencialmente del tamaño y de la temperatura del sistema de interés, pero que también depende de otros factores como pueden ser una preparación imperfecta del estado cuántico y ruido en general. Además, es la decoherencia la responsable de la aparición de comportamientos clásicos en sistemas cuánticos. Un aspecto importante del grado de desarrollo que ha alcanzado la física actual es que se ha pasado del debate puramente filosófico sobre la frontera entre los mundos clásicos y cuánticos, a la planeación y ejecución de experimentos controlados con el fin de precisar esa frontera. Existe un creciente interés por explorar las conexiones entre la teoría cuantitativa del enredamiento y las propiedades de sistemas de materia condensada [Leggett, 2002; Osborne, 2002]. Entre los problemas considerados hasta ahora deberían mencionarse aquellos relacionados con lA conexión del enredamiento cuántico con el orden de largo alcance y la ruptura espontánea de simetría [Shi, 2003]. El enredamiento aparece en forma natural en física de materia condensada a baja temperatura. Es el responsable de muchos aspectos importantes en estos sistemas, tales como correlaciones de largo alcance que caracterizan una transición de fase, pero es al mismo tiempo, su estructura complicada uno de los obstáculos más fuertes para estudios numéricos [Reslen, 2005]. Por lo tanto, es un problema muy importante en la actualidad, explorar estos sistemas donde el enredamiento se presenta en forma natural, con el propósito ya sea de manipularlo con fines de PCI o para ganar comprensión de mecanismos físicos que puedan ser usados para enredar un gran número de subsistemas cuánticos. Es importante también resaltar que desde el punto de vista de la física fundamental el estudio del enredamiento en sistemas de muchas partículas ofrece la oportunidad de explorar otros aspectos complementarios de la física tradicional de materia condensada, que permitan ganar en la comprensión de fenómenos cuánticos macroscópicos como la superconductividad, la superfluidez, efectos Hall cuánticos y transiciones de fase en general. Con respecto a este último tópico ha sido de interés revisar el concepto de universalidad entre distintos sistemas físicos que poseen leyes de escalamiento idénticas en cercanías de un punto crítico.
El estudio de las leyes de Escalamiento universal que sufre el enredamiento, como nueva magnitud física medible, ha sido demostrado por nosotros en el caso de dos sistemas aparentemente bien distintos: un sistema de materia y radiación en interacción por un lado y un sistema puramente magnético formado por partículas con spin [Reslen, 2005]. Este estudio permite anticipar que las distintas clases de universalidad bien establecidas en la física estadística de las transiciones de fase pueden presentar aspectos novedosos cuando el enredamiento deba ser tenido en cuenta. Por lo tanto, la noción de enredamiento cuántico en sistemas macroscópicos permite dar nueva luz a viejos problemas de transiciones de fase e investigar la frontera entre los mundos clásicos y cuánticos, así como posiblemente también pueda dar indicaciones sobre el proceso mismo de la medición cuántica.
Estas nuevas formas de espectroscopía están siendo Igualmente explotadas en el estudio de excitones y polaritones (estados superpuestos de excitones y fotones) en nanoestructuras y microcavidades semiconductoras. A bajas densidades, se espera que los excitones o polaritones se comporten de acuerdo con la estadística de Bose- Einstein. La condensación de Bose-Einstein es uno de los fenómenos colectivos más asombrosos en física. Cuando un conjunto de bosones se lleva a temperaturas por debajo de la denominada temperatura crítica, un número macroscópico de ellos ocupará simultáneamente un mismo estado individual. Este fenómeno, asociado a una ruptura espontánea de simetría, lleva a otro no menos asombroso: la superfluidez [Stamer-Kurn, 1998]. Efectos bosónicos similares ocurren en sistemas de excitones y polaritones. Dado que estos últimos están formados por excitones y fotones, y los excitones terminan convirtiéndose
en luz, un condensado de polaritones corresponde finalmente a un estado coherente de energía óptica. Pero debido a que los polaritones tienen una masa finita, ellos se mueven mucho más lentamente que los fotones, y se condensan a muy bajas temperaturas en un estado coherente.
Una forma de observar este condensado es buscar señales que correspondan a la coherencia óptica de la luz emitida [Olaya-Castro, 2001; Quiroga, 2002; Olaya- astro, 2003]. Se demostró en estas investigaciones que a tiempos del orden de femtosegundos la luz emitida por el condensado guarda memoria de la coherencia propia del sistema condensado, y por lo tanto esta característica puede ser utilizada como un indicador de una fase coherente macroscópica de la materia excitónica en semiconductores.
Igualmente se ha encontrado en este tipo de estudios que la luz emitida posee características no-clásicas como la de estar "comprimida" (squeezed) en una de sus cuadraturas. Este resultado permitirá usar los sistemas de condensados en semiconductores como elementos fundamentales en la detección de señales muy débiles por debajo del límite de Heisenberg. Las aplicaciones, reales y potenciales, de estos nuevos campos están hoy en día en todas partes. El desarrollo conjunto de la electrónica y la fotónica puede revolucionar la tecnología como lo hizo hace más de 50 años el transistor. Los láseres semiconductores y las fibras ópticas son hoy en día las dos principales tecnologías de la revolución en telecomunicaciones, y el desarrollo de técnicas experimentales en la práctica médica y en otras áreas tecnológicas no ha dejado de crecer. Nuevas formas del tratamiento de la información están surgiendo, donde aspectos cuánticos fundamentales de las nanoestructuras semiconductoras como su capacidad de enredamiento controlado, estabilidad a tiempos muy cortos, interfaces con fotones individuales, entre otras posibilidades, podrían ser explotados en protocolos de criptografía cuántica en sistemas de estado sólido. De igual manera se espera que la capacidad de miniaturización de los sistemas semiconductores abra en un futuro cercano la posibilidad de un gran nivel de escalamiento de dispositivos cuánticos para ensamblar compuertas lógicas cuánticas y por qué no, enfrentar exitosamente el gran reto actual, como es la construcción de un computador cuántico. Es por lo tanto un camino que sin duda estará lleno de sorpresas pero también de promesas hechas realidad, el que espera a los científicos dedicados a la investigación de las manifestaciones de las coherencias cuánticas a escala macroscópica.
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PUBLICADO POR:
Acuña Rey Andres Eduardo
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