Científicos revelan un efecto óptico inesperado que podría afectar a los computadores cuánticos

Los jugadores de tenis de mesa pueden hacer que una pelota curve al darle el giro adecuado. Este movimiento es causado por el efecto Magnus, un fenómeno físico que también influye en el vuelo de objetos más grandes en deportes como el fútbol.

Un equipo internacional de investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI) observó un efecto relacionado a escala atómica. Por primera vez, demostraron experimentalmente el efecto Magnus óptico al enfocar luz láser en un solo ion y medir cómo interactúa con él.

En lugar de hacer que un átomo siga una trayectoria curva, el efecto desplaza el punto donde el láser interactúa más fuertemente con el ion. Este punto de interacción se mueve ligeramente hacia un lado, un hallazgo que podría tener implicaciones para los computadores cuánticos que utilizan luz láser para controlar qubits con precisión extrema. Los resultados fueron publicados en Physical Review Letters.

La interacción más fuerte de un láser se encuentra ligeramente descentrada

A primera vista, parece razonable esperar que un ion interactúe más fuertemente con un láser exactamente en el punto más brillante del haz. Sin embargo, cuando la luz láser se enfoca de manera muy precisa, la estructura de su campo electromagnético se vuelve más compleja.

Debido a esa alteración en la estructura del campo, la interacción más fuerte no ocurre exactamente en el centro del haz, sino ligeramente hacia un lado. Este pequeño desplazamiento lateral es el equivalente óptico del efecto Magnus que hace que una pelota de tenis de mesa curve en el aire.

Este pequeño desplazamiento podría ser importante en la computación cuántica. Los láseres se utilizan frecuentemente para cambiar los estados de los qubits con alta precisión. Si se ignora el efecto Magnus óptico, podría interferir con ese control y contribuir a errores.

El mismo efecto podría ser útil. "Las fuerzas que genera podrían utilizarse para acoplar qubits entre sí, permitiendo cálculos más complejos", explicó el autor principal Philip Leindecker del Centro de Ciencia de Fotones del PSI y del Departamento de Física de la ETH Zurich.

Uso de un solo ion para mapear la luz láser

Para detectar el efecto, los investigadores utilizaron un único ion de calcio como un sensor extremadamente sensible. El átomo cargado eléctricamente fue mantenido casi inmóvil en una trampa de iones, que utiliza campos electromagnéticos para mantenerlo fijo en su lugar.

Los iones atrapados también se utilizan ampliamente en la computación cuántica. Pueden funcionar como qubits, cuyas propiedades cuánticas son manipuladas mediante pulsos láser cuidadosamente controlados.

En el experimento, el equipo movió el ion de calcio a través de diferentes partes de un haz láser enfocado y midió cuán fuertemente interactuaba con la luz en cada posición.

"Nuestro ion actúa como un pequeño sensor que podemos utilizar para explorar la estructura de la luz láser", explicó Leindecker. "Esto permite medir un desplazamiento de solo unos pocos cientos de nanómetros".

Las mediciones revelaron otra característica sorprendente. El tamaño del desplazamiento lateral depende solo de la longitud de onda de la luz y no de cuán estrechamente se enfoque el haz láser.

Investigadores de la Universidad de Ámsterdam habían predicho teóricamente el efecto Magnus óptico hace varios años. Al usar un ion de calcio atrapado como una sonda microscópica, el equipo ha observado ahora el efecto experimentalmente por primera vez y ha medido su comportamiento en mayor detalle.