Un extraño fenómeno físico, que involucra ondas ópticas, campos magnéticos sintéticos e inversión de tiempo, se ha observado directamente por primera vez, después de décadas de intentos. El nuevo hallazgo podría conducir a la realización de lo que se conoce como fases topológicas, y eventualmente a avances hacia computadoras cuánticas tolerantes a los fallos, anuncian los investigadores en la revista ‘Science’.
En el nuevo hallazgo han participado investigadores de la Universidad de Pekín, el MIT, Universidad de Zagreb y la Universidad de Pennsylvania.
El hallazgo se relaciona con los campos de indicadores, que describen las transformaciones que sufren las partículas. Los campos de indicadores se dividen en dos clases, conocidos como abelianos y no abelianos. El efecto Aharonov-Bohm, llamado así por los teóricos que lo predijeron en 1959, confirmó que los campos de medición, más allá de ser una pura ayuda matemática, tienen consecuencias físicas.
Pero las observaciones solo funcionaron en los sistemas abelianos, o aquellos en los que los campos de medida son conmutativos, es decir, tienen lugar de la misma manera, tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo.
En 1975, Tai-Tsun Wu y Chen-Ning Yang generalizaron el efecto al régimen no abeliano como un experimento mental. Sin embargo, no quedó claro si sería posible observar el efecto en un sistema no abeliano. Los físicos carecían de formas de crear el efecto en el laboratorio, y también carecían de formas de detectar el efecto, incluso si pudiera producirse. Ahora, ambos acertijos se han resuelto y las observaciones se han llevado a cabo con éxito.
El efecto tiene que ver con uno de los aspectos extraños y contraintuitivos de la física moderna, el hecho de que prácticamente todos los fenómenos físicos fundamentales son invariables en el tiempo. Eso significa que los detalles de la forma en que las partículas y las fuerzas interactúan pueden avanzar o retroceder en el tiempo, y una película de cómo se desarrollan los eventos se puede ejecutar en cualquier dirección, por lo que no hay forma de saber cuál es la versión real. Pero algunos fenómenos exóticos violan esta simetría del tiempo.
Crear la versión abeliana de los efectos Aharonov-Bohm requiere romper la simetría de inversión de tiempo, una tarea desafiante en sí misma, dice Soljacic. Pero para lograr la versión no abeliana del efecto, es necesario romper esta inversión de tiempo varias veces, y de diferentes maneras, lo que lo convierte en un desafío aún mayor.
Para producir el efecto, los investigadores utilizan la polarización de fotones. Luego, produjeron dos tipos diferentes de ruptura de inversión de tiempo.
Utilizaron fibra óptica para producir dos tipos de campos de calibre que afectaron las fases geométricas de las ondas ópticas, primero enviándolas a través de un cristal sesgado por potentes campos magnéticos, y segundo modulándolos con señales eléctricas que varían en el tiempo, los cuales rompen la simetría de inversión de tiempo.
Luego pudieron producir patrones de interferencia que revelaron las diferencias en la forma en que la luz se vio afectada cuando se envió a través del sistema de fibra óptica en direcciones opuestas, en sentido horario o antihorario.
Sin la ruptura de la invariancia de inversión de tiempo, los haces deberían haber sido idénticos, pero en cambio, sus patrones de interferencia revelaron conjuntos específicos de diferencias como se predijo.
La versión original abeliana del efecto Aharonov-Bohm “se ha observado con una serie de esfuerzos experimentales, pero el efecto no abeliano no se ha observado hasta ahora”, explica Yang. El hallazgo “nos permite hacer muchas cosas”, explica, abriendo la puerta a una amplia variedad de experimentos potenciales, incluidos los regímenes físicos clásicos y cuánticos, para explorar las variaciones del efecto.
El enfoque experimental ideado por este equipo “podría inspirar la realización de fases topológicas exóticas en simulaciones cuánticas utilizando fotones, polaritones, gases cuánticos y qubits superconductores”, dice Soljacic. Para la propia fotónica, esto podría ser útil en una variedad de aplicaciones optoelectrónicas, dice.
Además, los campos de indicadores no abelianos que el grupo pudo sintetizar produjeron una fase de bayas no abelianas y “combinados con interacciones, algún día podrían servir como plataforma para el cálculo cuántico topológico tolerante a fallas”, dice.
En este punto, el experimento es principalmente de interés para la investigación física fundamental, con el objetivo de obtener una mejor comprensión de algunos fundamentos básicos de la teoría física moderna. Las muchas aplicaciones prácticas posibles “requerirán avances adicionales en el futuro”, dice Soljacic.
Por un lado, para el cómputo cuántico, el experimento necesitaría ampliarse desde un solo dispositivo para probablemente una red completa de ellos. Y en lugar de los haces de luz láser utilizados en su experimento, requeriría trabajar con una fuente de fotones individuales individuales. Pero incluso en su forma actual, el sistema podría usarse para explorar preguntas en física topológica, que es un área muy activa de la investigación actual, dice Soljacic.
Fuente: EP