Física Quântica em Cavidades

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Electrodinámica cuántica de cavidades.
Gómez Bravo Brandon Saúl
F́ısica Atómica y Materia Condensada, Facultad de Ciencias (FC), Universidad Nacional
Autónoma de México (UNAM)
Serge Haroche y David J. Wineland ambos galardonados con el premio nobel de f́ısica 2012 ”por sus
innovadores métodos experimentales que permiten medir y manipular sistemas cuánticos individuales”[1],
trabajan en el campo de la óptica cuántica estudiando la interacción entre la luz y la materia en su estado
más fundamental, su trabajo consistió en tratar las propiedades de emisión de los átomos individuales que
interactúan con pocos fotones en un solo modo del campo de radiación sostenido por una cavidad de alta
calidad.
Haroche y Wineland han abierto la puerta a una nueva era de la experimentación con la f́ısica cuántica
demostrando la observación directa de sistemas cuánticos individuales sin destruirlos, han logrado medir de
forma precisa experimentos que tan sólo en las décadas pasadas se créıa imposible de producir.[2]
En el caso de Wineland (Instituto Nacional de Estándares y Tecnoloǵıa (NIST) y Universidad de Colo-
rado Boulder, CO, EE. UU.) su experimento consistió en confinar iones en una cavidad para poder hacer
mediciones a través fotones, se limita al ion a tener solo dos niveles de enerǵıa, dichas part́ıculas deben estar
restringidas a algún intercambio calor y a la radiación de su entorno mediante la realización de experimentos
a temperaturas extremadamente bajas, Wineland crea pulsos láser para suprimir el movimiento térmico del
ion, es decir, disminuye su enerǵıa vibracional poniendo en su estado de enerǵıa bajo y por lo tanto permite
el estudio de los fenómenos cuánticos con el ion atrapado en la cavidad y la información procedente de los
fotones.
El pulso láser cuidadosamente sintonizado modifica la enerǵıa del ion para ponerlo en una superposición de
dos estados estados diferentes , que es una simultánea existencia con la misma probabilidad de terminar en
cualquiera de ellos. De esta forma, la superposición de los estados de enerǵıa de los iones puede ser estudiada
y el colapso de la función de onda.
Haroche (Collège de France y Ecole Normale Supérieure, Paŕıs, Francia), utiliza un método diferente, en
este caso los fotones quedan atrapados dentro de la cavidad, dicha cavidad de 2.7 cm con espejos esféricos está
hecha de un material superconductor por lo que se enfŕıa a una temperatura de 0,8K, son tan reflexivos que
hacen posible que el foton rebote por una décima de segundo, durante su tiempo vida muchas manipulaciones
cuánticas se pueden realizar con el fotón atrapado.
Haroche usa átomos especialmente preparados, los llamados átomos de Rydberg para controlar y medir el
fotón de microondas en la cavidad. Un átomo de Rydberg tiene una radio de aproximadamente 125 nanóme-
tros, los átomos entran de manera controlada a la cavidad en una superposición de los estados n=50 y n=51
con igual probabilidad.
Ya en la cavidad, estos átomos no absorben ningún fotón dentro de la cavidad pero sus niveles de enerǵıa
cambian gracias al efecto Stark dinámico produciendo aśı un entrelazamiento entre los estados del átomo y
los fotones encerrados pero la interacción entre el fotón y el átomo induce un variacion en la fase del estado,
el cambio de fase depende del esṕın del átomo, para esto previamente se estudia el campo eléctrico dentro de
la cavidad , dicho cambio de fase es un indicador del numero de fotones dentro de la cavidad y permite saber
el estado de los fotones conociendo el estado de los átomos a la salida de la cavidad, finalmente detectado
revela la presencia o la ausencia de un fotón dentro de la cavidad. Sin fotones no hay cambio de fase, aśı
Haroche puede medir un solo fotón sin destruirlo.
Haroche y Wineland atrapan a las part́ıculas cuánticas y las pone en estados de superposición estilo gato
de Schrödinger ya que el enredo del campo de microondas y los átomos de Rydberg permitieron a Haroche
mapear la vida y muerte del estado de los fotones similar a un gato dentro de su caja, siguiéndolo paso a
paso, átomo por átomo, ya que sufrió un transición de la superposición cuántica de estados a un estado bien
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Jose
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Ya lo puede almacenar más tiempo.
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¿?
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definido de la f́ısica clásica.[3]
David Wineland y su equipo de investigadores han puesto en práctica el experimento que les fue acreedo-
res del premio nobel y lo han llevado a la construcción de relojes basados en la luz extremadamente precisos
que podŕıan convertirse en la base futura de un nuevo estándar de tiempo, con más de cien veces mayor
precisión que los relojes de cesio actuales.
Ambos trabajos con sus métodos pioneros han permitido que este campo de investigación dé los primeros
pasos hacia una posible revolución informatica con la construcción de un nuevo tipo de computadora súper
rápida basada en la f́ısica cuántica.
La computación cuántica todav́ıa está bastante lejos del dispositivo cuántico a gran escala, pero ambos grupos
han indicado los ingredientes necesarios que haŕıan que un circuito lógico obedezca las leyes de la mecánica
cuántica y manipular estas cosas, de intercambiar información de un lado a otro, y lo que estos dos ganadores
del Premio Nobel han hecho en sus diferentes laboratorios es mostrar cómo se puede hacer eso
Referencias
[1] ”The Nobel Prize in Physics 2012”, < http : //www.nobelprize.org/nobelprizes/physics/laureates/2012/ >
[2] Measuring and Manipulating Indivudual Quantum Systems. Scientific Background on the Nobel Prize in
Physics 2012
[3] Serge Haroche. Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary. Nobel
Lecture.
[4] Ïntroduction to Cavity QED”. Grudst, Fabian. < https : //www.physik.unikl.de/fileadmin/widera/HauptseminarWS1011/CavityQED.pdf >
[5] Superposition, Entanglement and Raising Schordinger’s cat, nobel lecture, David J. Wineland
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