Albert Einstein recibió el Premio Nobel por explicar el efecto fotoeléctrico como un proceso de absorción y aniquilación de fotones. Todo detector de un solo fotón aniquila dicho fotón impidiendo medidas repetidas del mismo fotón. Parece imposible diseñar un detector no destructivo de fotones, sin embargo, Andreas Reiserer (Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Garching, Alemania) y dos colegas han logrado lo imposible gracias a acoplar el estado del fotón con un átomo de rubidio-87 atrapado en una cavidad óptica y medir dicho átomo para deducir la presencia del fotón o su ausencia mediante fluorescencia. El nuevo método tiene una eficiencia del 74%, que se puede incrementar utilizando medidas repetidas en sucesión sobre el mismo fotón (dos medidas subirían la eficiencia al 87% y tres medidas hasta el 89%). Se esperan muchas aplicaciones en metrología cuántica, computación cuántica, comunicación cuántica e incluso en la futura web cuántica. El artículo técnico es Andreas Reiserer, Stephan Ritter, Gerhard Rempe, «Nondestructive Detection of an Optical Photon,» Science, AOP 14 Nov 2013 (arXiv:1311.3625 [quant-ph]).
La figura que abre esta entrada ilustra el proceso de detección no destructiva del fotón. Se utiliza un átomo (1) con tres niveles atómicos |1>, |2> y |3> atrapado en una cavidad óptica resonante formada por un espejo ideal (2) y un espejo parcialmente reflector (3), llamado espejo acoplador. El fotón que se va a detectar debe tener una frecuencia (color) en resonancia con la cavidad óptica vacía. Este fotón incide en la cavidad por el espejo acoplador (4) y se refleja (5). En función del estado del átomo pueden pasar dos cosas. Si el átomo está en estado |1>, entonces el fotón entra en la cavidad antes de ser reflejado, cambiando la fase del sistema átomo-fotón dentro de la cavidad en un valor de π (cambio de signo de la función de onda). Pero si el átomo está en el estado |2>, el acoplamiento entre el fotón y el átomo impide que el fotón entre dentro de la cavidad, siendo reflejado, pero produciendo el desdoblamiento de los niveles energéticos del estado |3> del átomo. Para entender los detalles técnicos hay que saber que este sistema opera en el régimen de acoplamiento fuerte para cavidades ópticas regidas por la electrodinámica cuántica.
¿Cómo se detecta el fotón de forma no destructiva? Se prepara el átomo en la cavidad en un estado de superposición (|1>+|2>)/√2. Si no incide ningún fotón, este estado de superposición permanece inalterado. Pero si incide un fotón, el cambio de fase provoca que este estado cambie a (|1>−|2>)/√2. Para detectar este cambio, se aplica una operación cuántica al átomo que introduce un cambio de fase de π/2. Si el átomo estaba en el estado (|1>+|2>)/√2 (si no incidió un fotón), pasará al estado |1> y si estaba en (|1>−|2>)/√2 (si incidió un fotón) pasará a |2>. Para distinguir entre los estados |1> y |2> se utiliza un detector de fluorescencia que provoca la emisión de un tren de nuevos fotones cuya presencia es fácil de detectar (aunque de forma destructiva). La clave de la medida no destructiva de la presencia o ausencia del fotón es que se mide el átomo atrapado en la cavidad sin medir el fotón de forma directa.