Introduciendo superposiciones de estados coherentes en la óptica no lineal

La superposición es un principio fundamental de la mecánica cuántica. Este establece que si un sistema cuántico puede existir en dos estados distintos (A o B), también puede estar en cualquier superposición de ambos, dejando el estado exacto del sistema (A o B) indefinido. Este principio, cuando se aplica a los estados coherentes —aquellos que imitan más de cerca el comportamiento de la luz clásica—, da lugar a luz cuántica. De hecho, resulta que la superposición de estados coherentes ofrece oportunidades profundas para avanzar en la ciencia y la tecnología cuánticas. En particular, la aplicación de las superposiciones de estados coherentes en el campo de la óptica no lineal tiene un gran potencial para abordar preguntas sin respuesta y descubrir fenómenos novedosos en física cuántica, óptica cuántica e información cuántica.

Sin embargo, los procesos no lineales, para que puedan ocurrir, requieren de campos láser extremadamente fuertes con un alto número medio de fotones. Esto plantea dos grandes desafíos a la hora de integrar estos estados en la óptica no lineal. Primero, lograr tales intensidades mientras se mantienen las propiedades no clásicas de la luz es extremadamente difícil. Y segundo, los métodos estándar para evidenciar la naturaleza cuántica de la luz solo son efectivos con números bajos de fotones.

Ahora, un equipo de investigadores del IESL FORTH, el Dr. Theocharis Lamprou y el Dr. Paraskevas Tzallas, y del ICFO, el Dr. Javier Rivera-Dean, el Philipp Stammer y el Prof. ICREA Maciej Lewenstein, ha logrado abordar ambos problemas con éxito. Para ello, crearon superposiciones generalizadas de estados coherentes (GCSS), verificaron su naturaleza cuántica y las emplearon para impulsar un proceso óptico no lineal (lo que, en sí mismo, es indicativo del alto número de fotones e intensidad de dichos estados). Sus hallazgos, demostrados tanto teórica como experimentalmente, han aparecido en Physical Review Letters.

Usando un pulso láser infrarrojo, el equipo generó GCSS con el mayor número medio de fotones registrado hasta la fecha para tales estados. Luego dirigieron este pulso hacia un cristal óptico, que absorbió la luz y la reemitió como su segundo armónico, es decir, una versión del pulso original con una frecuencia de vibración del doble. Este fenómeno fue inducido por un proceso no lineal llamado generación de segundo armónico.

“La creación de GCSS mediante un proceso de campo fuerte se observó por primera vez en un estudio anterior, del año 2021. Aunque esos resultados sugerían el potencial de números altos de fotones, aún faltaban pruebas directas”, explica el Dr. Javier Rivera. “En este trabajo, cerramos esa brecha al demostrar la naturaleza de alto número de fotones de las GCSS mediante su capacidad para impulsar procesos ópticos no lineales”, añade.

Un puente entre la óptica cuántica y la física de campos fuertes

El estudio en sí ya representa una aplicación fundamental. En él se demuestra que, combinando la óptica cuántica con la física de campos fuertes —el área que explora cómo la materia interactúa con campos láser altamente intensos—, es posible crear campos láser intensos con estadísticas de fotones no clásicas, capaces de impulsar procesos ópticos no lineales.

Pero la integración de estas dos disciplinas, un objetivo que los investigadores en ambos campos hace tiempo que persiguen, abre aún más posibilidades emocionantes. La ciencia de la información cuántica, por ejemplo, que ya se solapa con la óptica cuántica, podría beneficiarse al incorporar la física de campos fuertes. De manera similar, la ciencia de attosegundos, que depende de campos láser de alta intensidad, podría avanzar al aprovechar características cuánticas, que a menudo se pasan por alto en los enfoques tradicionales.

Además, el método desarrollado está libre de efectos de decoherencia. La decoherencia, un proceso en el que los estados cuánticos pierden su calidad inicial debido a interacciones con el entorno, es un obstáculo importante para la gran mayoría de las tareas de información cuántica. Desarrollar estados cuánticos que sean resistentes a la decoherencia o técnicas para mitigar sus efectos es, por tanto, esencial para avanzar hacia tecnologías cuánticas prácticas. Por ello, los estados generados en este trabajo, así como los métodos utilizados para crearlos, podrían desempeñar un papel clave para superar el problema de la decoherencia.

Referencia:

Th. Lamprou, J. Rivera-Dean, P. Stammer, M. Lewenstein, and P. Tzallas, Nonlinear Optics Using Intense Optical Coherent State Superpositions. Phys. Rev. Lett. 134, 013601 (2025).

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.013601

Agradecimientos:

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