El fotón podría ser la más familiar de las partículas elementales. Viajando a la velocidad de la luz, las partículas nos bombardean diariamente desde el sol, la luna y las estrellas. Durante más de un siglo, científicos e ingenieros los Han aprovechado en conjunto para iluminar nuestras ciudades y ahora, nuestras pantallas.

Los investigadores de hoy en día pueden controlar los fotones con más delicadeza que nunca. En el Instituto Nacional de estándares y Tecnología (NIST) en Maryland, la física Paulina Kuo crea y manipula fotones individualmente., Al iluminar cristales diseñados a medida con luz láser en su laboratorio, kuo produce fotones gemelos, que puede separar en fotones individuales. Dirigiéndolos hacia ciertos materiales, que absorben la partícula para producir fotones de diferentes colores, puede cambiar efectivamente el color de un fotón mientras preserva la información codificada en él.

por ejemplo, diseñó un cristal para duplicar la frecuencia de un fotón de entrada, lo que permite la conversión entre luz roja e infrarroja. «Puedes fusionar dos fotones o dividir un fotón en dos», dice., «O incluso procesos de orden superior. Puedes fusionar tres fotones en uno, o dividir un fotón en tres.»Complementando estas técnicas, utiliza detectores de fotón único de última generación, hechos de cables superconductores que se vuelven no superconductores cuando absorben un solo fotón. Estos tipos de detectores ofrecen conteos de alta precisión, detectando fotones con hasta un 99 por ciento de eficiencia.

esta tecnología de fotones únicos formará la columna vertebral de una internet cuántica Futura, una red global propuesta de dispositivos para transmitir datos codificados en fotones únicos y otras partículas cuánticas., Estos datos se representarían en las propiedades cuánticas de una partícula, como la polarización de un fotón. A diferencia de los datos clásicos, que solo pueden representarse como 0 o 1, la llamada información cuántica toma valores que son combinaciones ponderadas de 0 y 1, lo que permite nuevos algoritmos computacionales potencialmente más potentes y nuevos protocolos de cifrado.

los desafíos de ingeniería abundan para el internet cuántico, como los problemas con la pérdida de señal, dice Kuo. Pero los investigadores—y sus gobiernos-han establecido planes ambiciosos., En 2016, la Unión Europea comenzó una iniciativa de tecnologías cuánticas de 1.000 millones de euros. Este agosto, Estados Unidos estableció cinco centros de investigación cuántica para acelerar el desarrollo de tecnología cuántica con hasta promised 625 millones prometidos en los próximos cinco años. El físico Pan Jian-Wei, que encabezó el lanzamiento en 2016 de un satélite chino de tecnología cuántica de 100 millones de dólares y sus proyectos posteriores, ha descrito el objetivo de construir una internet cuántica global para 2030.,

muchos expertos han apodado La era actual de la tecnología de fotón único como la «segunda revolución cuántica», un cambio de paradigma donde los científicos no solo entienden los principios contraintuitivos de la mecánica cuántica—entrelazamiento, superposición y dualidad onda-partícula—sino que pueden explotarlos en tecnologías. El fotón ya no es solo un objeto de estudio, sino una herramienta.

entonces, ¿qué es un fotón? Kuo da una respuesta circular. «Un fotón es el clic registrado por un detector de resolución de un solo fotón», dice.

se han utilizado palabras más vagas que las de Kuo para describir el fotón., Es una onda y una partícula de luz, o es una cuantización del campo electromagnético. O, «Cállate y calcula», una frase familiar para cualquiera que se haya desconcertado sobre la mecánica cuántica.

«puedes meterte en problemas si le das demasiada realidad al fotón», dice el físico Alan Migdall del NIST.

«La gente ha estado discutiendo sobre ello durante más de 100 años», dice el físico Aephraim Steinberg de la Universidad de Toronto. «No creo que hayamos llegado a un consenso.»

Los físicos comenzaron a discutir sobre el fotón tan pronto como lo descubrieron., Los mismos científicos que concibieron las partículas eran escépticos de que existieran fundamentalmente en la naturaleza. Para explicar los datos experimentales confusos con respecto a la relación de la temperatura de un objeto con su radiación emitida, en 1900 el físico alemán Max Planck propuso que la radiación viene en cantidades discretas, o cuantos. Nació el concepto del fotón. Pero Planck no comprendía la profundidad de su idea. Más tarde describió su avance como «un acto de desesperación», un truco sin fundamento para hacer que las matemáticas funcionen.,

Albert Einstein, también, se resistió a las implicaciones de la teoría del fotón que ayudó a desarrollar. Estaba particularmente preocupado por el enredo, la idea de que dos partículas pueden tener destinos entrelazados, incluso cuando están separados muy separados el uno del otro. La teoría implicaba, por ejemplo, que si se midiera la polarización de un fotón en un par enredado, también se sabría instantáneamente la polarización del otro, incluso si las dos partículas se han separado en extremos opuestos del sistema solar., El entrelazamiento sugirió que los objetos pueden influenciarse entre sí desde arbitrariamente lejos, conocido como no-localidad, que Einstein ridiculizó como «acción espeluznante a distancia».»Prefiriendo una realidad donde los objetos deben estar en proximidad para ejercer influencia unos sobre otros, él creía que la teoría de la mecánica cuántica era incompleta. «Ciertamente le dio indigestión a Einstein», dice Migdall.

durante décadas, las discusiones sobre el fotón fueron relegadas en gran medida al Reino de los experimentos de pensamiento, ya que era tecnológicamente imposible probar estas ideas., Recientemente, el debate se ha infiltrado en la comunidad física de manera más amplia, a medida que las fuentes y los detectores de fotones individuales se vuelven mejores y más accesibles, según Steinberg. «Podemos hacer estos experimentos en lugar de simplemente imaginarlos, como el gato de Schrödinger», dice.

Por ejemplo, los físicos han confirmado la existencia de enredo. Décadas de experimentos, conocidos como pruebas de la desigualdad de Bell, ahora indican claramente que Einstein estaba equivocado, y que nuestro universo no es local.,

estas pruebas se basan en un marco experimental ideado por el físico británico John Stewart Bell en 1964. En el trabajo teórico, Bell mostró que si se repiten mediciones en partículas supuestamente enredadas, las estadísticas podrían revelar si los fotones realmente influyen entre sí no localmente, o si un mecanismo desconocido—conocido genéricamente como una «variable oculta local»—crea la ilusión de acción a distancia. En la práctica, las pruebas han implicado en gran medida la división de pares de fotones enredados a lo largo de dos caminos diferentes para medir sus polarizaciones en dos detectores diferentes.,los físicos han estado realizando pruebas de Bell desde la década de 1970, y todos los experimentos publicados indican que los fotones pueden actuar de manera espeluznante desde la distancia, como explica el físico David Kaiser del Instituto de tecnología de Massachusetts. Sin embargo, a pesar de los resultados unánimes, estos primeros experimentos no fueron concluyentes: las deficiencias tecnológicas significaron que sus experimentos sufrieron tres posibles limitaciones de diseño o lagunas.

la primera laguna, conocida como Laguna local, surge de que los dos detectores de polarización están demasiado cerca entre sí., Teóricamente, era posible que un detector pudiera haber transmitido una señal al otro detector justo antes de que se emitieran los fotones enredados, influyendo en el resultado de la medición localmente.

la segunda laguna, llamada Laguna de muestreo justo, resultó de detectores de fotón único de mala calidad. Los expertos argumentaron que los detectores podrían haber captado un subconjunto sesgado de los fotones, sesgando las estadísticas. El deseo de cerrar esta laguna, dice Migdall, ha impulsado el desarrollo de mejores detectores de fotón único, los mismos que ahora se usan rutinariamente en las tecnologías cuánticas.,

la tercera Laguna, La Laguna de libertad de elección, está relacionada con la configuración del detector de polarización. Para obtener estadísticas verdaderamente imparciales sobre un gran número de mediciones de polarización, la orientación del detector de polarización debe restablecerse aleatoriamente para cada medición. Es difícil garantizar la aleatoriedad, ya que los investigadores reajustan minuciosamente los detectores a mano en los primeros experimentos.

experimentos recientes han cerrado las tres lagunas, aunque no simultáneamente en una prueba, según Kaiser., En 2015, un equipo dirigido por el físico Ronald Hanson en la Universidad de tecnología de Delft realizó una prueba de Bell que cerró las lagunas de muestreo justo y localidad por primera vez, aunque utilizando electrones enredados en lugar de fotones.

publicación en 2018, un equipo de científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas en España cobró a 100.000 voluntarios para jugar un videojuego para generar números aleatorios, que los científicos utilizaron para configurar sus detectores de prueba Bell para restringir la laguna de libertad de elección.,

Kaiser trabajó en otro experimento publicado en 2018, denominado «prueba de campana cósmica», que cerró la laguna de la localidad y restringió fuertemente la laguna de libertad de elección al establecer la orientación de su detector de polarización utilizando un generador de números aleatorios basado en la frecuencia de luz emitida por dos estrellas a 600 y 1,900 años luz de distancia, respectivamente.

los resultados apoyan fuertemente la no localidad del enredo. «La indigestión que Einstein tenía con la mecánica cuántica, si estuviera por aquí hoy, le dirías que solo tendría que lidiar con ella», dice Migdall.,

La física Alexandra Landsman de la Universidad Estatal de Ohio describe el fotón como» un quantum de energía», que se alinea estrechamente con las concepciones originales de los físicos de la partícula. En un artículo de 1905, Einstein describió la luz como paquetes discretos de energía proporcionales a su frecuencia para explicar el llamado efecto fotoeléctrico. Los científicos han observado que los materiales absorben la luz para expulsar electrones, pero solo cuando la frecuencia de la luz es más corta que algún valor umbral., La explicación de Einstein, por la que fue galardonado con el Premio Nobel en 1921, ayudó a impulsar el desarrollo de la teoría cuántica.

la nueva tecnología láser ha permitido a los investigadores revisar el efecto fotoeléctrico con más detalle. Los láseres de attosegundos, inventados en 2001, emiten pulsos de luz de menos de una cuadrillonésima de segundo de largo que permiten a los físicos observar la acción a escala cuántica como una cámara con una velocidad de obturación récord., En particular, los físicos están utilizando láseres ultrarrápidos para medir el tiempo del efecto fotoeléctrico: una vez que un fotón incide sobre un átomo o molécula, ¿cuánto tiempo tarda el electrón en ser expulsado? «La gente en el pasado asumió que este proceso ocurre instantáneamente», dice Landsman. «No había manera de abordar esta cuestión experimentalmente.»

en 2010, un equipo dirigido por el físico Ferenc Krausz, entonces en la Universidad de tecnología de Viena, realizó un experimento que muestra que la eyección de electrones de un átomo toma tiempo., Si bien no midieron el tiempo absoluto, pudieron discernir que tomó unos 20 attosegundos más para que un electrón saliera del orbital 2p versus el orbital 2s de un átomo de neón. Experimentos posteriores de otros grupos han cronometrado la emisión de electrones en moléculas como el agua y el óxido nitroso.

Landsman, un teórico, está trabajando para entender por qué los electrones dejan ciertas moléculas más rápido que otras. Algunas moléculas, por ejemplo, confinan el electrón a un espacio tal que el electrón forma una onda estacionaria., Esta condición, conocida como resonancia de forma, atrapa temporalmente al electrón, ralentizando su escape. En última instancia, Landsman quiere dilucidar todos los factores que retrasan a los átomos y moléculas de la liberación del electrón a cero en cuánto tiempo el fotón y el electrón se encuentran entre sí. «Estos experimentos nos dan más información sobre cómo interactúa un fotón con un electrón», dice.

Zlatko Minev, sin embargo, no cree que un fotón sea un cuántico de energía. Minev, un físico de IBM, investiga cómo construir una computadora cuántica., En este nuevo contexto tecnológico, dice, los fotones parecen manifestarse de manera diferente.

Minev ejecuta experimentos en circuitos hechos de cables superconductores que se pueden usar como qubits, que son bloques de construcción de computadoras cuánticas. Estos circuitos están diseñados para absorber un solo fotón de una energía especificada, donde la absorción de un fotón puede representar el estado 1 en una computadora cuántica. Una vez que el qubit absorbe un fotón, su respuesta cambia, de modo que ya no absorberá fotones de esa energía.,

la idea convencional de un fotón como un «cuántico de energía» no encaja en estos circuitos, dice Minev, quien se refiere a los sistemas como osciladores cuánticos no lineales. «Se podría preguntar, ¿qué significa tener dos fotones en mi oscilador? ¿Son dos unidades de energía?»él dice. «En este caso, no lo es, porque cada fotón adicional en el oscilador en realidad tiene una cantidad diferente de energía. La energía no define el fotón en este caso.»

entonces, ¿cómo describe el fotón? «No estoy seguro de poder darle una respuesta de una frase», dice Minev. «Actualmente estoy reevaluando mi propio entendimiento., Actualmente, piensa que el fotón es un «quantum de acción», donde «acción» se refiere a una cantidad abstracta que describe el comportamiento permitido de su sistema.

a medida que los físicos reevaluan los conceptos básicos, estos nuevos experimentos iluminan la conexión entre la ciencia fundamental y las aplicaciones. La tecnología de Internet cuántica de Kuo comparte ancestry con el hardware utilizado en las pruebas de entrelazamiento de Bell. Los estudios de Minev de su oscilador no lineal le ayudan a desarrollar métodos para corregir errores en computadoras cuánticas., La investigación de Landsman sobre el efecto fotoeléctrico en moléculas puede revelar pistas sobre sus propiedades electrónicas, lo que eventualmente podría proporcionar a los científicos una nueva vía para diseñar materiales con las especificaciones deseadas. Migdall dice que los investigadores utilizan pruebas de Bell para verificar la aleatoriedad en nuevos modelos de generadores de números aleatorios que explotan partículas enredadas.

aún así, la verdadera naturaleza del fotón elude a los físicos. «Todos los cincuenta años de meditación consciente no me han acercado a la respuesta a la pregunta: ¿qué son los cuantos de luz?»Einstein escribió en una carta de 1951., «Por supuesto que hoy todo bribón piensa que sabe la respuesta, pero se está engañando a sí mismo.»

él puede haber estado equivocado sobre el entrelazamiento, pero siete décadas más de reflexión colectiva más tarde, el sentimiento todavía se mantiene.

Sophia Chen contribuye a WIRED, Science, and Physics Girl. Ella es una escritora independiente con sede en Columbus, Ohio.

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