Imagínate un rayo de luz amarilla atravesando una ventana. La física cuántica nos dice que este rayo está compuesto por trillones de pequeños paquetes de luz, llamados fotones, que viajan a través del aire. Pero, ¿cómo se "ve" un fotón individual? ¿Tiene forma? ¿Estas preguntas tienen sentido?
Físicos polacos han creado el primer holograma de una partícula de luz. Este logro, obtenido observando la interferencia de dos haces de luz, proporciona una visión fundamental de la naturaleza cuántica de la luz.
La imagen resultante se parece a una cruz de Malta, tal como predijo la ecuación de Schrödinger. En los brazos de la cruz, donde los fotones estaban en fase, la imagen es brillante, y donde no lo estaban, vemos oscuridad.
La imagen mostrada es una representación de esta imagen holográfica y de manera sorprendente arroja una cruz de luz, particularmente semejante a una cruza de Malta, asociada con los caballeros templarios de la época medieval. Aunque debemos de recordar que es una representación, no deja de ser llamativo y sugerente encontrar esta formación al visualizar un fotón, la unidad constitutiva de la realidad. Para los cristianos la cruz era un símbolo de la eternidad, particularmente siguiendo la idea platónica de que el tiempo mismo es una imagen de la eternidad. El mismo Platón utiliza la imagen de la X o quiasmo para hablar de la manera e la que el demiurgo dispone su creación en el espacio, uniendo el mundo visible con el mundo de las ideas.
En términos estrictamente científicos, el resultado también puede ser importante para tecnologías que requieren comprender la forma de los fotones individuales, como la comunicación cuántica y las computadoras cuánticas.
"Realizamos un experimento relativamente simple para medir y ver algo increíblemente difícil de observar: la forma de las frentes de onda de un fotón individual", dice Radoslaw Chrapkiewicz, físico de la Universidad de Varsovia y autor principal del nuevo artículo, publicado en Nature Photonics.
Durante cientos de años, los físicos han intentado averiguar de qué está hecha la luz. En el siglo XIX, el físico escocés James Clerk Maxwell describió la luz como una onda electromagnética. Sin embargo, a principios del siglo XX, los físicos alemanes Max Planck y Albert Einstein demostraron que la luz estaba compuesta por pequeños paquetes indivisibles llamados fotones.
En la década de 1920, el físico austriaco Erwin Schrödinger elaboró estas ideas con su ecuación de la función de onda cuántica para describir cómo se ve una onda, lo cual ha sido increíblemente poderoso para predecir los resultados de experimentos con fotones. Sin embargo, a pesar del éxito de la teoría de Schrödinger, los físicos aún debaten el significado real de la función de onda.
En el famoso experimento de la doble rendija, cuando los fotones pasan por dos rendijas, crean un patrón de interferencia en una pantalla detrás de las rendijas. Esto ocurre porque los fotones, aunque son partículas, también se comportan como ondas y pueden interferir entre sí, creando áreas de luz y oscuridad, similar a cómo las olas en el agua pueden sumarse o cancelarse mutuamente.
Los físicos de la Universidad de Varsovia midieron por primera vez la forma descrita por la ecuación de Schrödinger en un experimento real. Dispararon dos haces de luz a un divisor de haz, hecho de cristal de calcita, al mismo tiempo. Este divisor actúa como una intersección de tráfico, donde cada fotón puede pasar directamente o girar. El experimento se centró en medir qué camino tomó cada fotón, dependiendo de la forma de sus funciones de onda.
Para un fotón solo, cada camino es igualmente probable. Pero cuando dos fotones se acercan a la intersección, interactúan y estas probabilidades cambian. Si se conocía la función de onda de uno de los fotones, podían deducir la forma del segundo a partir de las posiciones de los destellos en un detector.
Cada ejecución del experimento produjo dos destellos en un detector, uno para cada fotón. Después de más de 2,000 repeticiones, se construyó un patrón de destellos y el equipo pudo reconstruir la forma de la función de onda del fotón desconocido.
El experimento nos acerca "un paso más a comprender qué es realmente la función de onda", dice Michal Jachura, coautor del trabajo, y podría ser una nueva herramienta para estudiar la interacción entre dos fotones, sobre la cual se basan tecnologías como la comunicación cuántica y algunas versiones de la computación cuántica.
Los investigadores también esperan recrear funciones de onda de objetos cuánticos más complejos, como los átomos. "Es probable que las aplicaciones reales de la holografía cuántica no aparezcan hasta dentro de unas décadas", dice Konrad Banaszek, quien también formó parte del equipo, "pero si hay algo de lo que podemos estar seguros es de que serán sorprendentes".