Físicos han demostrado un método para detectar gases atmosféricos a distancia utilizando luz infrarroja, sin detectar nunca los propios fotones infrarrojos. Al explotar las correlaciones cuánticas, la técnica reconstruye un espectro de absorción infrarrojo medio utilizando solo detectores de infrarrojo cercano, abriendo un nuevo camino para la detección remota de contaminantes y gases de efecto invernadero.
El estudio, publicado como preimpresión en arXiv por investigadores de la Universidad de Ginebra, demuestra la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de trayectoria abierta remota utilizando “fotones no detectados,” una técnica que se basa en el entrelazamiento cuántico para inferir las propiedades de la luz que nunca se mide directamente.
Cómo funciona
El método comienza con una fuente de pares de fotones, típicamente un cristal no lineal que divide un solo fotón de alta energía en dos fotones de menor energía mediante conversión paramétrica descendente espontánea. Los dos fotones están correlacionados cuánticamente: uno en el rango infrarrojo medio, el rango que porta las firmas de absorción distintivas para la mayoría de las moléculas, y el otro en el rango infrarrojo cercano, donde los detectores son baratos, sensibles y funcionan a temperatura ambiente.
El fotón infrarrojo medio viaja a lo largo de una trayectoria abierta a través de la atmósfera, donde puede ser absorbido por las moléculas objetivo. Su gemelo infrarrojo cercano, el fotón “no detectado” en el nombre de la técnica, se envía a un detector estándar. Debido a que los dos están entrelazados, la información de absorción transportada por el fotón infrarrojo medio queda impresa en la pareja detectable de infrarrojo cercano.
Un interferómetro de transformada de Fourier escanea la diferencia de trayectoria, y el espectro de absorción infrarrojo medio se reconstruye a partir del patrón de interferencia de los fotones infrarrojos cercanos detectados. Los fotones infrarrojos medios mismos nunca se detectan directamente.
“El espectro infrarrojo medio se reconstruye detectando solo la radiación infrarroja cercana, evitando así importantes limitaciones de los detectores infrarrojos,” explican los autores.
El avance: operación en exteriores
Demostraciones anteriores de esta técnica se limitaban a configuraciones de laboratorio en mesa. El equipo de Ginebra logró algo fundamentalmente diferente: enviaron los fotones a través de 43,4 metros en la atmósfera exterior, una distancia sin precedentes para este método.
Pudieron detectar butano liberado intencionalmente en la trayectoria abierta, así como metano atmosférico natural presente en el aire ambiente.
“Esto demuestra el primer uso de espectroscopia infrarroja con fotones no detectados para mediciones atmosféricas,” escriben los investigadores.
La innovación técnica clave es la copropagación del par de fotones y el láser de bombeo sobre la misma trayectoria óptica. Este diseño simplifica la alineación, hace que el sistema sea robusto para el despliegue en campo y permite que el haz de sonda viaje largas distancias mientras mantiene la correlación cuántica necesaria para que la técnica funcione.
Por qué es importante
La espectroscopia infrarroja es el estándar de oro para identificar y cuantificar gases, cada molécula tiene una huella infrarroja única, pero los detectores infrarrojos medios son costosos, a menudo requieren enfriamiento criogénico y sufren de menor sensibilidad que sus contrapartes de infrarrojo cercano.
Al trasladar la detección al infrarrojo cercano, donde los detectores de silicio comerciales funcionan cerca del límite cuántico, la técnica evita por completo estas limitaciones. El resultado es un sistema potencialmente más barato, más robusto y más sensible que los enfoques convencionales.
Las implicaciones abarcan el monitoreo ambiental (detección continua de fugas de metano en sitios industriales), la seguridad industrial (detección remota de emisiones fugitivas) y la ciencia atmosférica (mapeo de concentraciones de gases de efecto invernadero a alta resolución espacial).
Próximos pasos
La demostración de 43 metros es una prueba de concepto, no un instrumento terminado. La implementación práctica requeriría extender la longitud de la trayectoria a cientos o miles de metros, mejorar la relación señal-ruido para concentraciones traza y miniaturizar el sistema óptico para uso en campo.
Pero el avance fundamental, demostrar que la detección correlacionada cuánticamente funciona en condiciones exteriores reales, no solo en un laboratorio con clima controlado, marca la transición de la espectroscopia de “fotones no detectados” de una curiosidad cuántica a una tecnología candidata para aplicaciones del mundo real.
Reference: Neves, S., Armbruster, F., & Wolf, J.-P. (2026). “Remote Infrared Absorption Spectroscopy with Undetected Photons.” arXiv:2607.16419 [quant-ph].
Traducido por Alessandra