LA ENVOLTURA DE LOS FOTONES por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Todo el mundo conoce los efectos de la luz. La visión es algo fundamental en la percepción del entorno, en la elaboración del pensamiento y en la construcción del conocimiento. Es difícil concebir el entorno privado de la visión. Pero una cosa es percibir y otra bien distinta explicarlo. El mundo científico ha tenido que concebir un modelo para tratar de explicarlo. Primeramente, Maxwell propuso considerar a la luz como una onda electromagnética, es decir, un campo eléctrico y uno magnético, oscilantes y perpendiculares. Las propiedades observables en el mundo macroscópico, que es el nivel en que los humanos nos ha situado la evolución, las propiedades e interacciones de la radiación con el entorno, resultaba bien descrito. Otra cosa fue, cuando se tuvo que enfrentar la teoría de Maxwell, con procesos como los implicados en la espectroscopía de los átomos. El nivel ya no se corresponde con el genuinamente humano, sino que ahora es microscópico, entendiendo por tal un entorno sumamente pequeño, como el propio de las moléculas y átomos y sus interacciones. La teoría de Maxwell ya no daba respuestas apropiadas. Esta situación supuso un acúmulo de hechos, para los que no había explicación e impulsó la formulación de la teoría Cuántica de la radiación. Einstein denominó fotón a la partícula que Planck asoció a la radiación en una concepción particular (de partícula). El fotón es una partícula sin masa en reposo, pero no por ello no tiene forma. Los pulsos de radiación pueden tener cualquier forma, tanto en el espacio como en el tiempo, en función de las amplitudes y las fases de los componentes de la frecuencia del pulso. Modulando la amplitud o la fase, se pueden codificar los pulsos de radiación. Del mismo modo, los fotones simples, únicos y otros estados de la radiación, se pueden generar con formas complejas y esto, entre otras cosas, amplía notablemente la capacidad para codificar información en esas distintas formas. Se puede asociar una forma del fotón a un signo del alfabeto, por ejemplo y transmitir información textual de esta manera. Del mismo modo, se pueden tratar las unidades de imagen o pixeles para su transmisión y tratamiento. Sin embargo, cuando se ha lanzado un fotón desde algún dispositivo se puede distorsionar e incluso la información que porta, convertirse en indescifrable. Marco Bellini y col., del Istituto Nazionale di Ottica en Florencia, han encontrado la forma de medir la forma exacta de un estado de un fotón cuando alcanza al receptor,  mediante un detector de  “modo selectivo”.  Mezclan el fotón a medir con un pulso láser intenso, que actúa de referencia u “oscilador local”. Fotón y fotones del láser interfieren y se refuerzan o anulan, en función de sus formas. Cuanto más próximos estén, más se reforzarán y más probable será detectarlo. Así, mediante prueba y error se van utilizando formas aleatorias para el oscilador local, hasta encontrar los que mejor se detectan. La mejor coincidencia es la que se toma como forma del fotón. El proceso es como si se tratara de una adaptación evolutiva.
La importancia que tienen estas investigaciones es que podemos recuperar la información codificada en la forma de un fotón. Hasta ahora, los experimentos de óptica cuántica manipulaban y detectaban estados cuánticos de la radiación en uno o unos pocos modos bien definidos. De hecho, los protocolos de comunicación cuántica, la denominada criptografía cuántica, emplea las diferentes direcciones de polarización de un fotón, por ejemplo, horizontal y vertical. Esto supone que se codificaba la información en dos posibles estados de los fotones y sus superposiciones, que es lo que viene denominándose “qubit” (de quantum bit). Ahora se dispone de todo el modo espacio-temporal, con lo que la cantidad de modos ortogonales que puede ocupar un fotón es ilimitada. La capacidad de cálculo se ve incrementada de forma espectacular.

Pero otro aspecto de interés derivado de la forma de los fotones es un interrogante al que no se le ha prestado atención, durante mucho tiempo, pero que ahora adquiere protagonismo, desde que hace bien poco se ha reparado en que los fotones que provocan un aumento de la energía no son iguales a los que provocan una caída de aquélla. La cuestión no es baladí, por cuanto nos podría ayudar a construir dispositivos con finalidades bien caracterizadas.
El que un fotón tenga una dimensión, contrasta con el tamaño del átomo sobre el que incide. Imaginemos que el fotón sea de 4 metros de longitud y que un átomo ocupe menos de 1 nanometro. La forma del fotón afectará a cómo se absorbe ese fotón por un átomo único, sólo.  El investigador Kurtsiefer, de Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad de Singapur ha evidenciado en una publicación en la prestigiosa revista Nature, que la caracterización de un fotón no radica, solamente en la frecuencia del mismo. No es corriente que se piense en si los fotones están o no dispersos tanto en el tiempo como en el espacio, pero esto implica, sin duda, que tienen una forma medible. Kurtsiefer  y col. trabajaron con átomos de rubidio y fotones infrarrojos, lanzando éstos, uno a uno, sobre un único átomo alcalino, para investigar la interacción fundamental entre radiación y materia. Por ejemplo, un fotón de cuatro metros de largo, empleaba unos 13 nanosegundos en pasar sobre un átomo. Cada vez que el fotón alcanzaba a un átomo, observaban que ocurría y cuando resultaba excitado el átomo. De aquí dedujeron la probabilidad de que el átomo absorbiera el fotón y obtuvieron una función del tiempo del proceso. Investigaron dos formas extremas de fotones: uno que cedía energía y otro que provocaba una disminución de la misma. Tras muchas medidas efectuadas, obtuvieron la probabilidad total de absorción de un fotón. Así pues, un equipo internacional de investigadores ha logrado medir la forma de los fotones individuales, por primera vez. El resultado podría resultar muy útil para la transmisión segura de datos, utilizando la luz emitida por un átomo de rubidio, por ejemplo. Pero la conclusión más prometedora fue que cuando se observa el proceso a nanoescala de tiempo, la probabilidad de absorción depende, en cada uno de esos instantes, de la forma del fotón.

Cuando el fotón apenas alcanzaba al átomo, (vagamente, desde el punto de vista del átomo), entonces finalizaba en excitación, aumentando la energía, el brillo, y el pico de probabilidad llegaba a ser un 50% más elevado que cuando el fotón lo alcanzaba brillante y teniendo una larga estela que se debilitaba poco a poco. Los investigadores suponían que los átomos preferían absorber los fotones que los excitan. La razón es lo que ocurre, naturalmente, cuando un átomo que se ha excitado se desexcita, ya que entonces el átomo “escupe”, por así decir, un fotón que provoca decaimiento energético. Si imaginamos el proceso inverso, las ecuaciones nos dicen que parecería que ocurría lo mismo y el átomo se manifestaría con brillo creciente. La incidencia de la forma del fotón se inspira en la simetría con respecto al tiempo de la Mecánica Cuántica. Es importante señalar, que en alguna de las aplicaciones de la tecnología cuántica, como son las redes de comunicaciones o los sensores o los ordenadores, requieren que un fotón “escriba” información en un átomo, por tanto, absorbiendo aquél. El fotón golpea al átomo llevándolo a un estado excitado. Si queremos construir dispositivos fiables, hay que controlar científicamente la interacción. Solamente se puede construir desde la ingeniería aquello que se comprende. Así son las cosas.

En suma, la dinámica de la dispersión de la radiación, depende de la envoltura en la que viaja el fotón concreto que llega a un átomo, que resultará excitado más eficazmente por un fotón con  una envolvente temporal creciente, que cuando lo hace con una decreciente. La ventaja de excitar átomos únicos con fotones exponencialmente crecientes es una probabilidad de excitación que corresponde a un pico grande, alto, en un intervalo de tiempo muy estrecho. Supone, en suma, una sincronización que beneficia a las redes cuánticas. ¡Hay que guardar las formas y las envolventes, se revelan decisivas! La envoltura, también cuenta, como la de los reyes magos que acaban de pasar.