Un equipo liderado por investigadores de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo, Sudáfrica, con colaboradores de la Universidad de Pretoria (Sudáfrica), así como de México y Escocia, ha realizado un nuevo descubrimiento sobre cómo se comporta la luz en medios complejos, medios que tiende a distorsionar la luz significativamente. Demostraron que la «distorsión» es una cuestión de perspectiva, describiendo una regla simple que se aplica a toda la luz y una amplia gama de medios, incluidos el agua, la fibra óptica, la transmisión en la atmósfera e incluso a través de muestras biológicas vivas.
Su novedoso enfoque cuántico del problema resuelve un debate permanente sobre si algunas formas de luz son robustas o no, corrigiendo algunos conceptos erróneos en la comunidad. Es importante destacar que el trabajo destaca que toda luz tiene una propiedad que permanece sin cambios, una idea que contiene la clave para desentrañar el resto de la distorsión percibida. Para validar el hallazgo, el equipo mostró un transporte robusto a través de sistemas que de otro modo distorsionarían mucho, utilizando el resultado para una comunicación sin errores a través de canales ruidosos.
Fotónica de la naturaleza publicó hoy en línea la investigación del equipo de Wits dirigido por el profesor Andrew Forbes de la Escuela de Física de la Universidad de Wits. En su artículo titulado: Revelando la invariancia de la luz estructurada vectorial en medios complejos, el equipo explica las reglas simples que gobiernan la propagación compleja de la luz en medios complejos. En primer lugar, encuentran que todos estos medios pueden tratarse de la misma manera y que el análisis no depende del tipo de luz utilizada. Anteriormente, cada opción de medio y haz de luz se trataba como un caso especial, ya no es así: la nueva teoría general lo cubre todo. En segundo lugar, muestran que a pesar de la distorsión, hay una propiedad de la luz, su «vectoridad», que permanece sin cambios, invariante para los medios. Esto siempre es cierto y no se había notado antes. Mantiene la luz de explotación clave incluso en condiciones no ideales.
Si pasa la luz a través de un medio imperfecto, como la atmósfera, se distorsiona. Por ejemplo, el efecto de espejismo brillante cerca de carreteras calientes o el centelleo de las estrellas son ejemplos de luz que se distorsiona debido a la turbulencia de la atmósfera. A veces, la luz también se puede distorsionar deliberadamente, como los espejos en una feria de diversión que te hacen parecer más alto, más delgado o más redondo. En este caso, todos entendemos que la distorsión es solo una cuestión de perspectiva: un vistazo rápido a nosotros mismos sin el espejo revela la realidad, pero ¿es esto también cierto en otros sistemas distorsionadores? ¿Hay alguna forma de mirar la luz para que desaparezca la distorsión? El equipo dirigido por Wits muestra que sí, algunas propiedades nunca se distorsionan, mientras que otras pueden desentrañarse con un cambio de perspectiva.
La pregunta es cómo entender qué le sucede a la luz, cómo se distorsiona y cómo encontrar la nueva perspectiva. Para responder a estas preguntas, el equipo utilizó la forma de luz más general posible, la luz vectorial. La luz tiene una dirección eléctrica cuya dirección puede variar a lo largo del campo, a veces apunta hacia arriba, hacia abajo, a la izquierda, a la derecha, etc. La ‘vectoridad’ de una luz es cuán mezclada está la dirección del campo eléctrico de una luz. En otras palabras, es una medida de cuán similares son las direcciones de los campos eléctricos de una luz en diferentes lugares: si es el mismo en todas partes (homogéneo) el valor es 0, y si es diferente en todos lados (no homogéneo) el valor es 1. Esta homogeneidad vectorial nunca cambia, incluso si cambia el patrón del campo eléctrico. La razón está incrustada en los estados entrelazados cuánticos, un tema que parece tener poco en común con las distorsiones ópticas. El nuevo descubrimiento fue posible aplicando herramientas del mundo cuántico al mundo de las distorsiones ópticas.
«Lo que hemos encontrado es que la vectoridad es el único atributo de la luz que no se altera cuando pasa a través de cualquier medio complejo», dice el profesor Andrew Forbes, de la Wits School of Physics. «Esto significa que tenemos algo especial que se puede aprovechar al usar la luz para comunicaciones o detección».
«Este es un aspecto particular del patrón de la luz: cómo se ve el patrón de polarización», dice Forbes. «La ‘polarización’ es solo una forma elegante de describir la dirección del campo eléctrico que forma la luz. El patrón también está distorsionado, pero su naturaleza intrínseca (homogénea o no homogénea) no lo está.
El enfoque del equipo permite a los investigadores identificar cómo corregir cualquier distorsión a través de los medios de una manera que no cueste nada de luz. En otras palabras, no hay pérdida.
«Demostramos que aunque la luz está muy distorsionada, la distorsión es solo una cuestión de perspectiva. Uno puede ver la luz de tal manera que recupere sus propiedades originales ‘sin distorsiones’. Es notable que la luz compleja en medios complejos pueda entenderse universalmente a partir de reglas muy simples».
Por ejemplo, simplemente cambiando la forma en que se realiza una medición, cualquier comunicación a través de un medio muy distorsionado se puede hacer «libre de distorsión». El equipo demostró que esto era cierto experimentalmente a través de una variedad de sistemas, desde turbulencia hasta líquido o fibra óptica.
