Física cuántica aplicada con fotones individuales

En 1905, Albert Einstein publicó su ingeniosa explicación del efecto fotoeléctrico por la que le concedieron el Premio Nobel de Física en 1921. En su ensayo, explicaba la emisión de electrones desde una placa de metal por la absorción de partículas de luz (o fotones), una tesis que se oponía a la imagen clásica de las ondas. Todavía hoy, el fotón es el elemento que se utiliza siempre para poner a prueba las bases de la física cuántica frente a una interpretación puramente clásica de la naturaleza.

A comienzos de los años ochenta del siglo pasado, empezaron a verse propuestas que extendían las aplicaciones clásicas y convencionales en el campo del tratamiento de la información al mundo cuántico. El Premio Nobel R. P. Feynman sugirió que se utilizaran los estados mecánicos cuánticos para sustituir los bits clásicos en un ordenador. Pronto se descubrieron algoritmos que probaban la superioridad de esos ordenadores cuánticos sobre los clásicos en determinadas situaciones. Aunque dichos sistemas se encuentran todavía hoy en una fase muy naciente de desarrollo, sus fascinantes perspectivas han incrementado enormemente nuestros conocimientos sobre la mecánica cuántica. En los conceptos modernos de la informática cuántica, los fotones son especialmente importantes como transmisores de bits cuánticos.

La criptografía cuántica, que es una segunda aplicación importante de los fotones individuales, fue un descubrimiento de C. H. Bennett y G. Brassard en 1984. Permite la transmisión segura de datos privados sin posibilidad de escuchas. Se codifica una clave criptográfica en la polarización de una secuencia de fotones individuales aislados, que se transfieren entre interlocutores remotos. La seguridad del sistema reside en el llamado Teorema de la no clonación, una ley fundamental de la física cuántica, que impide que un tercero intercepte la clave cuántica y copie a la perfección los fotones detectados (y, por tanto, eliminados). En su lugar, se introducen en el canal de transmisión más interferencias que el emisor y el receptor pueden descubrir a tiempo. Entonces pueden cortar su comunicación después de transmitir una clave no utilizada pero antes de que se hayan transmitido datos privados.

Para las transmisiones a grandes distancias, el fotón es hoy el único portador cuántico de información que resulta razonable. Hace poco, algunos grupos de investigadores en Estados Unidos hicieron demostraciones de transmisiones a más de 200 kilómetros. Existen ya varios sistemas comerciales de comunicación cuántica que se han utilizado, por ejemplo, para transferencias bancarias seguras o para la comunicación de resultados electorales en el cantón suizo de Ginebra.

A pesar de su carácter básico, los fotones individuales no son fáciles de generar. Casi todas las fuentes naturales de luz suelen emitir fotones múltiples y no partículas individuales por unidad de tiempo, incluso en el caso de la alta atenuación.

Un método muy empleado es el de la conversión paramétrica descendente, en la que un fuerte campo de láser "bombea" un cristal no lineal. Con una probabilidad determinada, un fotón de láser se convierte en un par de fotones de media frecuencia. La detección del primer fotón anuncia la presencia del segundo con gran nivel de acierto. Sin embargo, como se trata de un proceso aleatorio, no es posible generar fotones individuales a voluntad. Una alternativa son los emisores cuánticos individuales, sistemas físicos con niveles de energía diferenciados que emiten un fotón individual cada vez mediante descomposición espontánea. El prototipo de uno de estos emisores cuánticos es una transición electrónica diferenciada en un átomo. En estos sistemas, una pulsación láser empuja un átomo a un estado de excitación en el que un electrón posee más energía. Desde ese estado, el electrón puede descomponerse y volver a su estado inicial, y pierde la energía sobrante mediante la emisión de un fotón individual. La emisión de un átomo individual aislado se caracteriza por una elevada pureza. Sin embargo, la complejidad técnica de las trampas para atrapar átomos individuales ha limitado este sistema a la investigación básica hasta ahora. En la actualidad existen otros muchos sistemas: por ejemplo, las moléculas de tintes y los defectos de color en los cristales de diamante pueden utilizarse como fuentes de fotones individuales utilizando técnicas microscópicas normales en condiciones ambientales.

Pero las aplicaciones como las transmisiones de criptografía cuántica necesitan dispositivos de fotones individuales que ofrezcan gran eficacia y un bajo coste de materiales. Aquí, los llamados puntos cuánticos tienen grandes posibilidades de cubrir esas necesidades. Los puntos cuánticos son estructuras semiconductoras de unos cuantos nanómetros de tamaño, que se preparan sobre láminas semiconductoras. Debido a su tamaño, un punto cuántico posee propiedades ópticas similares a las de un átomo individual. Mediante la elección apropiada de formas y materiales, los puntos cuánticos pueden ofrecer una gama de longitudes de onda accesibles, desde los rayos ultravioletas hasta los infrarrojos. Pero su mayor ventaja es su compatibilidad con la tecnología de chips actual. Gracias a ella es posible la integración de los puntos cuánticos en pequeños dispositivos microelectrónicos, lo cual los hace atractivos para el desarrollo de aparatos comerciales.

Sin embargo, hasta ahora, todo esto se ha visto entorpecido por la necesidad de enfriar con métodos criogénicos las fuentes de puntos cuánticos para obtener una emisión eficiente de fotones individuales. Normalmente, hay que enfriar los sistemas hasta por debajo de -170°C con helio líquido o nitrógeno líquido. Hace poco, en el Institut Néel en Grenoble (Francia), desarrollamos unos puntos cuánticos integrados en cables semiconductores de 10 nanómetros de grosor con los que conseguimos el funcionamiento de una fuente de fotones individuales a -50°C. Aunque todavía no es el objetivo deseado, que es poder hacerlo a temperatura ambiente, sí se permite un enfriamiento eléctrico compacto y de bajo coste utilizando elementos de Peltier.

Las tecnologías cuánticas pueden llegar a tener una influencia en nuestra sociedad similar a la que ha tenido el desarrollo de los ordenadores en el siglo anterior y el actual. Aunque todavía es difícil prever qué repercusiones pueden tener los ordenadores cuánticos en las tecnologías futuras, las comunicaciones seguras gracias a las transmisiones criptográficas cuánticas ya han superado las pruebas iniciales. Sobre todo las fuentes de fotones individuales han demostrado ser un factor importante en este campo fascinante y todavía en pañales.

Thomas Aichele, Humboldt-Universidad de Berlín, institución miembro de la plataforma para promover el talento y difundir las ideas más innovadoras Atomium Culture.