El mes pasado, un artículo sobresaliente, que describe un experimento que combina óptica temporal y cuántica, fue publicado en Physical Review Letters, una de las principales revistas científicas del mundo. Este artículo es el producto de dos fuerzas que se unen aquí, en la Facultad de Ingeniería: el Prof. Moti Fridman, un erudito de óptica temporal líder en el mundo, y el Dr. Eliahu Cohen, que se especializa, entre otras cosas, en óptica cuántica, un campo que explora fenómenos ópticos que escapan a la explicación clásica, es decir, en términos de ondas solas, y se aventura en el nivel de fotón único. «Incluso antes de la publicación, el tema había sido presentado en varias conferencias internacionales, en toda Europa y los Estados Unidos, con una recepción entusiasta», relatan los dos académicos. «Los propios revisores de la revista indicaron que este era un concepto verdaderamente innovador y fascinante. No es frecuente que un artículo enviado para su revisión en una revista prestigiosa obtenga comentarios tan positivos».
La idea del proyecto conjunto surgió por primera vez en una conferencia del Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados (BINA) de Bar Ilan, celebrada en 2019 en Herzliya, mientras la colaboración entre la pareja tomaba forma con el tiempo. «El proyecto se inspiró en el trabajo del profesor Avi Pe’er del Departamento de Física de Bar Ilan, que muestra que el ancho de banda óptico de los fotones entrelazados puede ampliarse y utilizarse significativamente», nos dicen.
El interferómetro es un dispositivo óptico común y eficiente, que permite que la luz exponga la interferencia, mientras la utiliza para una variedad de propósitos de detección. El interferómetro cuántico ofrece mediciones altamente sensibles de propiedades cruciales asociadas con la luz y el sistema por el que pasa, con énfasis en la fase. «Integramos la disciplina de los interferómetros cuánticos sensibles de banda ancha, que tiene que ver con la óptica cuántica, con la investigación de años realizada por mi equipo, que explora los componentes ópticos conocidos como lentes de tiempo», explica el profesor Fridman. «Las lentes comunes en óptica, así como en la vida cotidiana, son lentes espaciales: pueden tomar un haz de luz y enfocarlo o divergirlo en el espacio. El componente en el que hemos estado trabajando y desarrollando durante años se llama lente temporal, que hace lo mismo, solo que con el tiempo: puede tomar un pulso de luz y contraerlo o estirarlo en el tiempo, es decir, aumentar o disminuir su duración. A lo largo de los años, hemos desarrollado diferentes dispositivos que examinan pulsos a través de lentes temporales, utilizando óptica clásica no lineal, para estudiar algunos eventos muy fugaces en el tiempo. La persona que nos ayudó a entender que esta herramienta podría funcionar muy bien con los instrumentos y dispositivos de óptica cuántica fue Eli. Además de eso, él es un teórico, mientras que yo soy un experimentador, por lo que era natural que trabajáramos juntos».
Y, de hecho, juntos lograron desarrollar el modelo teórico de la idea, así como el experimento real. La entonces estudiante de segundo año Sara Meir, ahora a punto de completar su maestría y embarcarse en sus estudios de doctorado, supervisados por el Prof. Fridman, se encargó de construir los componentes. «En el proceso de trabajar en el proyecto, recibimos una subvención del Ministerio de Ciencia y Tecnología, mientras que Sara obtuvo una beca de mujeres en alta tecnología, lo que permitió que este estudio siguiera adelante», señalan los dos, al tiempo que citan el apoyo recibido de la Facultad de Ingeniería y el Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados.
Como parte del proyecto conjunto, se construyó un nuevo tipo de interferómetro cuántico, el primero de su tipo, en el laboratorio del profesor Fridman. En lugar del uso tradicional de dos cristales no lineales, este interferómetro empleaba dos lentes de tiempo. «El experimento, de hecho, incorpora fibra óptica y óptica no lineal, mientras que la aplicación de la lente temporal empleó algunas fibras altamente no lineales», explican los estudiosos. «Al examinar un rayo de luz, normalmente se observa su intensidad, alta o baja, pero un rayo de luz es de hecho una onda, también tiene una fase, y es esta fase la que mide el interferómetro. Sin embargo, esta herramienta no está exenta de límites, mientras que un interferómetro cuántico permite manejar estos límites y medir con mayor sensibilidad. Lo llevamos un paso más allá, inventando un dispositivo que permite medir una fase determinada, incluso cuando sufre un cambio súper rápido».
La herramienta ideada por los dos estudiosos permite realizar, por primera vez, una medición cuántica mejorada de escalas físicas y efectos que hasta ahora han sido difíciles de detectar. «Con este interferómetro, puede, por ejemplo, observar la fase generada por el pulso láser cuando acaba de emerger de su fuente, o examinar qué sucede cuando dos pulsos de luz fuertes ‘chocan’ dentro de una fibra óptica. Estamos discutiendo dos eventos ultrarrápidos que son muy difíciles de medir de otra manera, sobre todo cuando se trata de su fase», explica el profesor Fridman. «Con esta herramienta, ahora podemos hablar no solo sobre lo que sucede con la fase cuando dos pulsos chocan entre sí, sino también bajar al nivel real de fotones y ver qué sucede con la fase del fotón cuando se genera, o qué sucede con la fase cuando dos fotones interactúan».
«Mientras desarrollábamos la herramienta, teníamos en mente un proceso químico o biológico rápido, donde la fase de la luz cambia rápidamente, pero sin embargo puede informarnos sobre el proceso», dice el Dr. Cohen. «El sistema construido por Sara en el laboratorio del profesor Fridman combina la sensibilidad del interferómetro cuántico, que le permite rastrear pequeñas fases, con las lentes de tiempo, que permiten extender la duración del proceso, incluso si es realmente rápido para empezar. Como resultado, la herramienta puede detectar cambios de fase increíblemente rápidos, lo que nos proporciona a su vez el poder de aprender sobre modos de luz únicos, es decir, realizar tomografía de estado o tomografía de procesos cuánticos externos que tienen un impacto en la luz. En el futuro, esto puede tener implicaciones para varias aplicaciones basadas en la luz, incluida la detección, la detección, la creación de imágenes y la comunicación».
