Rècord en teletransport quàntic

Científics de la Xina han tingut èxit al teletransportar informació entre fotons molt distants entre ells. Concretament han aconseguit transportar informació quàntica a una distància de 16 km, molt més que els pocs centenars de metres anteriorment aconseguits, la qual cosa ens deixa més a prop d’aconseguir transmetre informació al llarg de grans distàncies sense necessitat d’un senyal tradicional.
El teletransport quàntic no és el mateix teletransport que coneixem la majoria per la ciència-ficció, on un objecte (o persona) en un lloc és “llançat” a un altre on es replica una còpia perfecta. El teletransport quàntic dos fotons o ions (per exemple) estan entrellaçats de tal manera que quan es canvia l’estat quàntic d’un, també canvia el de l’altre, com si encara estiguessin connectats. Això permet que la informació quàntica sigui teletransportada si un dels fotons / ions és enviat lluny.
En anteriors experiments, els fotons estaven confinats a canals de fibra d’uns pocs centenars de metres de llarg per assegurar que el seu estat romania sense canvis, però en els nous experiments, es van entrellaçar parells de fotons i el fotó de major energia del parell va ser enviat a través d’un canal d’espai lliure de 16 km de llarg. Els investigadors, de la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina i la Universitat Tsinghua a Pequín, van trobar que fins i tot a aquesta distància el fotó a l’extrem receptor encara responia als canvis de l’estat en l’altre fotó. La fidelitat mitjana assolida en el teletransport va ser del 89 per cent.
La distància de 16 km és més gran que el gruix efectiu de la aerosfera de 5-10 km, de manera que l’èxit del grup pot aplanar el camí a experiments entre una estació terrestre i un satèl.lit, o dues estacions terrestres amb un satèl.lit actuant com repetidor. Això significa que les aplicacions de les comunicacions quàntiques podrien ser possibles a escala global en un futur proper.
El canal d’espai lliure públic estava a nivell del mar i s’estenia 16 km, la distància entre Badaling a Pequín (el lloc de l’teletransport) i el receptor en Huailai a la província de Hebei. Els parells de fotons entrellaçats es van generar en el lloc del teletransport usant un semiconductor, un raig làser blau, i un cristall de borat de beta-bari (BBO). El parell de fotons s’entrellaçen en les formes espacials del fotó 1 i modes de polarització del 2. L’equip de recerca va dissenyar dos tipus de telescopis per usar-los com a transmissors òptics i antenes receptores.
Els experiments confirmen la factibilitat del teletransport quàntic espacial, i representen un gran salt endavant en el desenvolupament d’aplicacions de comunicació quàntica.
L’article està disponible de forma completa a Nature Photonics.

La força electromagnètica

De les quatre forces fonamentals que fins ara coneixem – gravitatòria, electromagnètica (EM), nuclear forta i nuclear feble – la nostra vida en el món de dimensions macroscòpiques, de mm a quilòmetres, està regida per les dues primeres. Totes les formes d’energia mecànica en realitat són manifestacions de l’EM: el fet que puc “tocar” i empènyer les tecles del teclat amb el qual estic escrivint aquest text és perquè els electrons de les molècules que constitueixen la tecla i els electrons dels meus dits es repulsa per tenir la mateixa càrrega elèctrica. La força del vent a la teva cara i en les aspes de les turbines eòliques, la força de l’aigua a les preses, fins i tot l’energia química alliberada en la combustió es deu la interacció EM. La força feble i forta tenen efectes només en les dimensions dels nuclis atòmics.

Les quatre forces que regeixen la natura.

Per tant és inevitable que en virtualment qualsevol discussió sobre el món macroscòpic tard o d’hora es tracti l’espectre EM. Sobretot en l’astrofísica el coneixement d’aquest espectre és indispensable, ja que moltíssima de la informació que rebem del cosmos és a través de la radiació EM – de la llum de les estrelles, de les galàxies, dels núvols interestel, dels jets d’ els forats negres … Però: Què és un espectre? Sona fantasmagòric i fins-vagi ensurt! – Magufo! Res d’això. Per començar, aclarim uns termes:

* Radiació electromagnètica o ones electromangnéticas: són ones de camps elèctrics i magnètics que oscil.len en la seva intensitat. Segons les equacions de Maxwell, el canvi d’un camp magnètic indueix un camp elèctric i viceversa. Estudiandio les equacions que va derivar, James Clerck Maxwell es va adonar que combinant dos dels seus equacions obtenia una que tenia la mateixa estructura matemàtica que l’equació que descriu una ona mecànica (com la de la corda d’una guitarra). Així va predir l’existència de les ones electromagnètiques, que van ser descobertes més tard per Heinrich Hertz.
* Espectre electromagnètic: és tota la varietat d’aquestes ones, des de les de longitud d’ona més curtes i energètiques fins a les més llargues “febles”. Quan es parla de l’espectre d’un cos (un àtom, el cos humà, un forn, un planeta …) normalment es parla d’un diagrama en el qual abscissa representa la longitud d’ona i l’ordenada la intensitat. Els espectres d’àtoms i molècules són característics, és a dir que la forma i intensitat en la qual aquests cossos emeten radiació EM és com la seva empremta dactilar.
* Llum: és la part de l’espectre electromagnètic visible per l’ull humà
* Fotons: són les partícules electromagnètiques. És a dir les boletes de llum, si així es vol veure, però encara més que això! Són les partícules que intercanvien els electrons i protons i que en fer-ho s’atrauen o repulsa, és a dir, les partícules responsables de la força EM!

Ona electromagnètica.

Però, un moment, és la llum una ona o una partícula? Ambdues!  Però abans d’arribar al fascinant regne de la mecànica quàntica vull escriure una sèrie d’articles detallats sobre cada part de l’espectre electromagnètic. Per què? Perquè la mecànica quàntica va sorgir de l’estudi de l’espectre EM de cossos calents: tots els cossos que tenen una temperatura emeten calor i aquesta calor és una forma de radiació. En intentar derivar la forma d’aquest espectre, Ludwig Boltzmann va donar el primer pas en la mecànica quàntica el 1877 (encara que la idea del que fa normalment se li atribueix a Max Planck en 1900). Aquesta investigació va portar eventualment a entendre no només la naturalesa de la llum, sinó també l’estructura de la matèria.

Espectre electromagnètic.

Però l’electromagnetisme no només té a veure amb la mecànica quàntica, sinó també amb la teoria de la relativitat. Les lleis que governen l’electromagnetisme són conegudes com les equacions de Maxwell. Si s’analitza la seva simetria (en una operació anomenada transformació de Galileu), un s’adona que són diferents a les lleis de Newton, que no comparteixen la mateixa simetria. Aquestes havien regit la física fins al segle XIX, ja que sempre arribaven al resultat correcte en la mecànica. La teoria EM igualment funciona perfectament per descriure corrents elèctrics i camps magnètics, però és simètrica sota una altra operació, la transformació de Lorentz. Una de les dues simetries havia de ser la correcta i encara que a molts físics els va doldre haver d’abandonar a Newton, segons va progressar el segle XX va ser la relativitat inherent a les equacions de Maxwell la qual va triomfar i va donar naixement a la teoria de la relativitat.
La termodinàmica, la llum, la física quàntica i la relativitat convergeixen en un sol tema: l’espectre electromagnètic, així que em sembla un punt perfecte de partida.
Això no seria física sense una equació, així que els presento una que és fonamental :

On E és l’energia, h és la constant de Planck, (la lletra grega nu) és la freqüència de l’ona (de vegades simplement f), és la longitud d’ona ic la velocitat de la llum.

Longitud d’ona en una sinusoide.

La primera part de l’equació, , diu que l’energia de la radiació és proporcional a la seva freqüència. Aquesta és normalment mesura la unitat Hz (Hertz). La segona part diu que l’energia és inversament proporcional a la longitud d’ona i les dues estan connectades per la fórmula . Però n’hi ha prou de matemàtiques i tornem a alguna cosa més palpalble.

Llavors, quan observem una font de radiació en l’espai, la sola freqüència ens diu l’energia i per tant ens dóna pistes de quin tipus processos originar aquesta radiació. Ones de ràdio, a l’extrem de baixa energia, poden ser generades senzillament per Bremstrahlung: quan una partícula amb càrrega elèctrica és frenada i desviada de la seva trajectòria original (per exemple per un camp magnètic) emet radiació. A l’altre extrem, els raigs gamma, els fotons tenen una alta energia, només van poder haver-se originat en presència d’un cos que pogués proporcionar aquesta energia: estrelles, supernoves, forats negres, o en els nuclis dels a’tomos.

A dalt esmentava l’espectre d’un cos (que esotèric sona – però no és el cas!). Com sorgeix? Per respondre a això necessitem donar els nostres primers passos en el món atòmic.
Absorció i emissió de fotons

Com molts dels nostres lectors recordaran de la classe de química i / o de física, el nucli d’un àtom està compost per protons i neutrons (ambdós anomenats nucleons) i al voltant d’aquest nucleons hi ha un núvol d’electrons. Els protons tenen càrrega positiva, els electrons negativa i els neutrons, com ho diu el seu nom, són neutres. Encara incorrecte, el model atòmic de Niels Bohr és útil per entendre la naturalesa bàsica de l’àtom. Bohr diu que els electrons es mouen en òbits circulars al voltant del nucli i només poden posseir energies discretes.

1. Quan un fotó (al diagrama simbolozado amb una paquet d’ones vermell) incideix sobre un electró en un nivell d’energia , li transfereix la seva energia, podent elevar a un nivell de major energia , si el fotó tenia l’energia que correspon a la diferència dels dos nivells, . El fotó és absorbit
2. El procés contrari passa quan un electró es troba en un nivell excitat d’energia i recombina espontàniament a un nivell inferior d’energia , aquest emet un fotó d’energia .

Absorció i emissió de fotons per un àtom.

(De fet aquest és el model de Bohr com s’ensenya avui en dia, però va ser Albert Einstein qui va proposar l’emissió de fotons. Durant més d’una dècada hi va haver un gran debat en la física sobre si els fotons existien i Bohr va ser el més brama dels seus oponents, fins que a la dècada dels 1920 va acceptar finalment l’enorme pila d’evidència a favor de la seva existència. Més sobre la interessantíssima història de la mecànica quàntica en propers articles!) Ok, una mica tècnic, però així és la física i aquest és un bloc de ciències, els autors ens preocupem per transmetre la ciència com és i no com els xarlatans la venen. Ara que hem repassat la física bàsica de l’emissió i absorció de fotons en els àtoms, podem explicar una mica més sobre els espectres.
L’espectre d’un cos és la seva empremta dactilar:

* Un cos negre, com el sol o com una bombeta, emet llum en moltes freqüències (molts “colors”) i no hi ha espais entre aquestes freqüències. Es diu que l’espectre és continu.
* Un gas calent d’un element o una molècula específic (a) emet en freqüències discretes, perquè els àtoms i molècules només poden estar en certs estats discrets d’energia, com hem vist anteriorment. Aquests nivells són característics de cada element. Cap dos elements tenen en espectre idèntic. Fins i tot ions del mateix element (mateix nombre de nucleons però diferent nombre d’electrons) i isòtops del mateix element (mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons) tenen un espectre lleugerament diferent. Quan un gas està calent, els seus àtoms o molècules es mouen ràpidament. Aquests xoquen constantment entre si, ho permet que electrons canvien d’òrbita constantment, emetent fotons. Un espectre analitzat d’aquesta manera se l’anomena d’emissió.
* En un gas fred, els electrons es troben en els nivells d’energia més baixos. Quan llum d’una font amb espectre continu travessa un gas fred, els fotons eleven als electrons a nivells d’energia més alts i ells són al seu torn absorbits. Aquests espectres es diuen d’absorció

Els àtoms i molècules deixen la seva empremta dactilar en els espectres electromagnètics. El triangle simbolitza un prisma. Aquestes simples línies en els espectres ens revelen molta informació sobre les fonts que els generen.