Transmiten 1,6 Tbit/s con OAM-MDM en una fibra óptica de vórtices

dibujo20130628-oam-multiplexing-in-optical-fibers

Para incrementar el ancho de banda, la cantidad de información que se puede propagar, en una fibra óptica se utilizan técnicas de multiplexado en frecuencia, tiempo, amplitud, fase, polarización y momento angular orbital (OAM-MDM). Esta última técnica, la más reciente y menos utilizada, consiste en enviar “vórtices” de luz por una fibra óptica con un diseño especial que se denomina “fibra de vórtices” (“vortex fibre”). Se publica en Science el envío de 400 Gb/s en 1,1 km de fibra óptica de vórtices utilizando OAM-MDM en una sola longitud de onda y de 1,6 Tb/s combinando OAM-MDM y 10 longitudes de onda con WDM (multiplexado en longitud de onda). Se trata del récord de ancho de banda en tecnología OAM-MDM en fibra óptica y demuestra que esta tecnología pronto tendrá que formar parte de los libros de texto. El artículo técnico es Nenad Bozinovic et al., “Terabit-Scale Orbital Angular Momentum Mode Division Multiplexing in Fibers,” Science 340: 1545-1548, 28 Jun 2013.

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Francis en Trending Ciencia: El primer transistor óptico que conmuta con un solo fotón

Dibujo20130612 atomtronic transistor - optical transistor using BEC

El audio de mi nuevo podcast sobre Física en Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción con algunas figuras.

Un transistor óptico controlado por un sólo fotón. El artículo aún sin publicar en la revista Science tiene como autora principal a la Dra. Wenlan Chen del MIT (Instituto Técnico de Massachusetts, Boston, EEUU). Este transistor está formado por un condensado de Bose-Einstein (BEC) de átomos de cesio ultrafrío. Por defecto, la luz de un láser que incide sobre el BEC lo atraviesa (estado “on”). El envío de un fotón adecuado excita el BEC de tal forma que cambia a un estado “off” y la luz láser es bloqueada. Un transistor ideal para ordenadores completamente ópticos. Nos lo ha contado Devin Powell, “Light flips transistor switch. Photons emerge as competitors to electrons in computer circuits,” Nature 498: 149, 13 Jun 2013.

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La voz de Alexander Graham Bell restaurada por el Berkeley Lab

Este vídeo youtube, que acaba con la frase “in witness whereof, hear my voice, Alexander Graham Bell,” nos permite oír una grabación de hace 128 años de la voz de Bell, gracias a la tecnología de restauración de grabaciones antiguas del Berkeley Lab de la Universidad de Berkeley, California, EE.UU. Oímos la voz de Bell grabada el 15 de abril de 1885 en el Laboratorio Volta de Washington, DC. Bell regaló esta grabación al Smithsonian antes de su muerte en 1922. El proyecto de restauración ha sido financiado por el Museo Nacional de Historia Americana, la Biblioteca del Congreso y el Laboratorio Smithsonian en Berkeley. Más información en ““Hear My Voice”: Smithsonian Identifies 130-Year-Old Recording as Alexander Graham Bell’s Voice,” National Museum of American History, Apr. 25, 2013; Charlotte Gray, “We Had No Idea What Alexander Graham Bell Sounded Like. Until Now,” Smithsonian magazine, May 2013; y Dan Krotz, “What Did Alexander Graham Bell’s Voice Sound Like? Berkeley Lab Scientists Help Find Out,” Berkeley Lab, Apr. 25, 2013.

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Francis en TrendingCiencia: Cifrado cuántico desde un avión a 300 km/h

Dibujo20130407 overview classical communication system between airplane and telescope

Mi nuevo podcast en Trending Ciencia ya está disponible. Si te apetece escuchar el audio, sigue este enlace. Como siempre una transcripción.

Mi nueva noticia de Física es sobre computación cuántica; en concreto, sobre cifrado cuántico, también llamado criptografía cuántica. Físicos de la Agencia Espacial Alemana (conocida por sus siglas en alemán DLR) y de la Universidad de Ludwig Maximilians en Múnich (conocida por sus siglas LMU), han logrado ejecutar el protocolo cuántico de distribución de claves llamado BB84 desde un avión moviéndose a 290 km/h hasta una estación receptora en tierra situada a unos 20 km de distancia. ¡Increíble!

Sebastian Nauerth (del LMU) y sus colegas han publicado su logro el 31 de marzo en la revista Nature Photonics. El artículo técnico es Sebastian Nauerth, Florian Moll, Markus Rau, Christian Fuchs, Joachim Horwath, Stefan Frick & Harald Weinfurter, “Air-to-ground quantum communication,” Nature Photonics, AOP 31 Mar 2013. También recomiendo leer a Hamish Johnston, “Quantum signal sent from aircraft,” Physics World, Apr 5, 2013; y a John Timmer, “Quantum encryption keys obtained from a moving plane. A technical demonstration shows that an exchange with satellites is possible,” Ars Technica, Apr 2 2013.

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Francis en Trending Ciencia: Récord de velocidad en una fibra óptica

Dibujo20130406 hollow photonic optical fiber and loss vs wavelength

Muchos me habéis pedido en alguna que otra ocasión un podcast de La Ciencia de la Mula Francis. Por ello, me he apuntado a Trending Ciencia el nuevo blog de podcast de ciencia. Nos puedes seguir por Twitter, en nuestro canal en ivoox y vía suscripción en iTunes; el feed general para los feed-adictos).

Puedes oír mi primer podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como ya sabes que es mi costumbre, aquí realizaré una transcripción del podcast (bastante literal), e incluiré figuras y enlaces al artículo técnico. ¡Que lo disfrutes!

He elegido como tema para mi primer podcast sobre física un curioso avance en las tecnologías de fibra óptica. Un equipo de físicos de la Universidad de Southampton, ciudad costera del sur de Inglaterra (Reino Unido) ha logrado fabricar un cable de fibra óptica muy especial. Muy especial por tres razones. La primera porque en esta fibra óptica la luz se propaga a casi la velocidad de la luz… en el vacío. Exactamente al 99,7% de la velocidad de la luz en el vacío. Obviamente, han utilizado una fibra óptica hueca, rellena de aire. La segunda razón de que esta nueva fibra publicada en un artículo en la revista Nature Photonics, aparecido online el pasado 24 de marzo, es que han logrado unas pérdidas de sólo 3,5 dB/km. Un número bajo comparado con otras fibras ópticas huecas fabricadas en el pasado. Y finalmente, la tercera razón por la que este logro alcanzado por Francesco Poletti y sus colegas de la Universidad de Southampton es tan especial es que han alcanzado un ancho de banda de 1,48 terabits por segundo. Si una línea de banda ancha de 20 megabits por segundo te parece muy rápida, la nueva fibra alcanza casi un millón y medio de megabits por segundo.

El artículo técnico es F. Poletti et al., “Towards high-capacity fibre-optic communications at the speed of light in vacuum,” Nature Photonics 7: 279–284, Published online 24 March 2013. Figura de la fibra y sus pérdidas, figura de los modos de propagación, y figura que confirma la latencia y figura que confirma el ancho de banda alcanzado.

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¿Por qué los escarabajos verdes son verdes?

Dibujo20130327 Photographs three beetles - TEM cross-sections multilayers responsible for these colors

Los escarabajos verdes deben su color a la estructura multicapa (superred óptica) de sus élitros (alas externas endurecidas). Están formados por capas alternas de diferente índice de refracción (1,55 y 1,68) con un grosor cada una de unos 0,09 μm. La estructura multicapa da lugar a la aparición de bandas prohibidas (bandgaps) en las que toda la luz se refleja (R=1), o ninguna se transmite (T=0); una de estas bandas está en el intervalo de longitudes de onda entre 567 nm y 597 nm, siendo la responsable del bello tono verde que les caracteriza. Para analizar la reflexión y transmisión de la luz en una estructura multicapa de N capas, se calculan para una celda unidad y se utiliza una relación de recurrencia que obtiene el resultado para N capas a partir del resultado de N-1 capas. Para la celda unidad hay que tener en cuenta la reflexión total interna que conduce a múltiples reflexiones de la luz antes de escapar de la superred. Los cálculos son sencillos (de hecho, yo he publicado cálculos similares, pero cuánticos, para superredes fractales). Los interesados en los detalles disfrutarán con Ariel Amir, Peter Vukusic, “Elucidating the stop bands of structurally colored systems through recursion,” Am. J. Phys. 81: 253-257 (2013). Por cierto, los escarabajos verdes que aparecen en la fotografía son (a) Torynorhina flammea chicheryi, (b) Chrysochroa raja, y (c) Gastrophysa viridula. Debajo aparece la estructura de sus élitros observada mediante imágenes TEM (microscopio electrónico de transmisión).

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Nuevo sistema de visión en 3D sin necesidad de gafas

Dibujo20130320 idea new 3D vision system without glasses

La manera más sencilla de lograr la visión estereoscópica (o en 3D) sin utilizar gafas es proyectar una imagen en un ojo y otra en el otro; el problema es que el sistema de proyección ha de localizar la posición de los ojos del observador. Una solución, publicada hoy en Nature, es proyectar muchas imágenes a pares, de tal forma que aunque el observador se mueva siempre habrá dos imágenes distintas para cada ojo. El nuevo sistema de Fattal y sus colegas se llama autoesteroscópico y se basa en combinar una luz guía con múltiples redes de difracción. Por ahora sólo han logrado enviar pares de imágenes en 14 direcciones diferentes o zonas de visión (desde las que se puede ver la imagen estereoscópica); en la figura de arriba a la izquierda se muestra un ejemplo con 5 direcciones. Los autores creen que si su diseño alcanzara 64 direcciones sería de interés práctico, ya que permitiría que la distancia entre zonas sería menor que la distancia que separa los ojos del observador a una distancia típica de unos metros. Por supuesto, el sistema actual (sólo un prototipio) tiene muchas limitaciones y las imágenes del artículo técnico tienen un nivel de calidad bastante pobre. Nos lo ha contado Neil A. Dodgson, “Optical devices: 3D without the glasses,” Nature 495: 316-317, 21 Mar 2013, quien se hace eco del artículo técnico de David Fattal et al., “A multi-directional backlight for a wide-angle, glasses-free three-dimensional display,” Nature 495: 348-351, 21 Mar 2013.

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Francis en “Cuaderno de Cultura Científica”: Física de las nubes iridiscentes

Dibujo20130308 nubes iridiscentes - by dieguico - flickr

“Las nubes iridiscentes de bellos tonos pastel son un fenómeno óptico atmosférico que muchos hemos observado en el cielo. Su origen es la difracción de la luz solar al incidir en las partículas (cristales hielo o gotas de agua) de la nube. Su aparición requiere que las partículas sean pequeñas (de pocos micrómetros), que estén estratificadas en capas con partículas de tamaño similar (si los tamaños varían mucho en cada capa el color se vuelve blanquecino) y que las nubes sean tenues (para que la luz atraviese sólo una partícula y no varias).” Seguir leyendo en “Cuaderno de Cultura Científica.”

La foto es de Diego Villuendas Pellicero (@dieguico) y fue tomada el 29 de diciembre de 2012 en Aragón, España, con una cámara Nikon D80 sin filtros. Más fotos en Flickr.

Logran un haz de Airy de electrones (solución no dispersiva de la ecuación de Schrödinger)

Dibujo20130220 Holographic generation of an electron Airy beam

La solución de Airy de la ecuación de Schrödinger de la mecánica cuántica corresponde a un paquete de ondas no dispersivo que se propaga a lo largo de una curva parabólica en ausencia de fuerzas externas. Su existencia fue demostrada con fotones hace 30 años. Un nuevo artículo en Nature la demuestra con electrones utilizando técnicas holográficas (en la nanoescala) similares a las usadas en el caso óptico. Los haces de Airy de electrones permitirán realizar con electrones cosas que hasta ahora sólo eran posibles con fotones (interferómetros de electrones, vórtices de electrones, etc.). El artículo técnico es Noa Voloch-Bloch, Yossi Lereah, Yigal Lilach, Avraham Gover, Ady Arie, “Generation of electron Airy beams,” Nature 494: 331-335, 21 Feb 2013 [arXiv:1205.2112].

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Demuestran el principio de indeterminación de Heisenberg en la medida óptica de la posición de un objeto macroscópico

Dibujo20130215 Experimental setup - continuous position measurement

La mecánica cuántica también se aplica a los objetos macroscópicos, pero sus efectos son tan pequeños que observarlos es muy difícil. Un nuevo artículo en Science ha observado los efectos del principio de indeterminación de Heisenberg en un oscilador macroscópico, una membrana como la de un tambor en una cavidad óptica (la membrana es visible a simple vista). La posición de la membrana se puede medir gracias a la luz que se refleja entre los dos espejos de la cavidad óptica y los autores del estudio han podido medir cómo afecta la presión de radiación de los fotones que inciden en la membrana en la medida óptica de su posición. La medida es tan precisa que se ve afectada por la naturaleza cuántica de los fotones y el error sistemático de la medida sólo está limitado por el ruido cuántico que predice el principio de Heisenberg. Una analogía para la medida óptica de la posición de un objeto es lo que hace el sistema de enfoque automático de una cámara de fotos; se emite un pulso de luz infrarroja que se refleja en el objeto y vuelve a la cámara donde se usa para estimar la distancia entre el objeto y el plano de la imagen. El principio de Heisenberg se puede despreciar en la cámara de fotos, pero en el nuevo experimento conduce a cambios en la intensidad de la luz detectada. El nuevo artículo ilustra la gran precisión que se está alcanzando en la medida de objetos macroscópicos en cavidades ópticas, claves para el avance en los detectores de ondas gravitacionales. La limitación fundamental de estos detectores a día de hoy es el principio de incertidumbre de Heisenberg. Nos lo cuenta Gerard J. Milburn, “Demonstrating Uncertainty,” Science 339: 770-771, 15 Feb 2013, quien se hace eco del artículo técnico de T. P. Purdy, R. W. Peterson, C. A. Regal, “Observation of Radiation Pressure Shot Noise on a Macroscopic Object,” Science 339: 801-804, 15 Feb 2013. (el podcast de Science de hoy se inicia con una entrevista a Purdy; aquí la transcripción en inglés).

El efecto del principio de indeterminación de Heinsenberg en la medida óptica de la posición de un objeto se llama ruido de disparo por presión de radiación (RPSN, Radiation Pressure Shot Noise), es decir, el ruido que introduce la colisión de un fotón contra el objeto debido a su naturaleza cuántica. El momento que se transfiere en el retroceso del objeto cuando le llegan de forma aleatoria fotones que se reflejan en su superficie (ruido de disparo) presenta una incertidumbre Δp que conlleva un error mínimo en la medida de la posición  Δx, que cumple con el principio de Heisenberg  Δp Δx ≥ ℏ/2. Parece imposible medir la posición con un error menor, por lo que esta relación impone el límite máximo a la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales basados en interferómetros (como LIGO, Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, y KAGRA, Kamioka Gravitational Wave Detector). El nuevo artículo en Science ha podido medir la posición de un objeto con un error limitado sólo por el RPSN, lo que le hace candidato ideal para estudiar las técnicas e ideas que se han desarrollado para burlar este límite, como el uso de luz colimada en cuadratura (quadrature-squeezed light) o técnicas para evitar el retroceso (back-action evasion). Estas propuestas teóricas podrán ser verificadas en la práctica con objetos macroscópicos gracias al nuevo esquema experimental que ha logrado una medida óptica de la posición limitada sólo por el RPSN.