Entrelazamiento cuántico de fotones es capturado en tiempo real

Investigadores de la Universidad de Ottawa y la Universidad de Roma La Sapienza, demostraron una técnica novedosa que permite la visualización de la función de onda de dos fotones entrelazados —las partículas elementales que constituyen la luz— en tiempo real.

Reconstrucción holográfica del estado bifotónico. a, Imagen de coincidencia de interferencia entre un estado de conversión paramétrica descendente espontánea (SPDC) de referencia y un estado obtenido por un haz de excitación con la forma de un símbolo Ying Yang (que se muestra en el recuadro). La escala insertada es la misma que en la trama principal. b, Estructura de amplitud y fase reconstruida de la imagen impresa en el láser de excitación desconocido. Crédito: Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3.

Utilizando la analogía de un par de zapatos, el concepto de entrelazamiento puede compararse con la selección de un zapato al azar. En el momento en que identificas un zapato, la naturaleza del otro —ya sea el zapato izquierdo o el derecho— se discierne instantáneamente, independientemente de su ubicación en el universo. Sin embargo, el factor intrigante es la incertidumbre inherente asociada con el proceso de identificación hasta el momento exacto de la observación.

La función de onda, un principio central de la mecánica cuántica, proporciona una comprensión integral del estado cuántico de una partícula. Por ejemplo, en el ejemplo del zapato, la «función de onda» del zapato podría llevar información como izquierda o derecha, el tamaño, el color, etc. Es decir, permite a los científicos cuánticos predecir los resultados probables de varias mediciones en una entidad cuántica, por ejemplo, posición, velocidad, etc.

Esta capacidad predictiva posee un valor inestimable, especialmente en el acelerado avance del campo de la tecnología cuántica. En tal contexto, comprender un estado cuántico generado o introducido en una computadora cuántica resulta fundamental para poner a prueba dicho sistema. Además, los estados cuánticos utilizados en la computación cuántica son sumamente complejos e involucran múltiples entidades que pueden mostrar correlaciones no locales intensas (entrelazamientos).

Tomografía cuántica

Conocer la función de onda de un sistema cuántico es una tarea desafiante; esto también se conoce como tomografía cuántica de estado o, en resumen, tomografía cuántica.

Con los enfoques estándar, una tomografía completa requiere un gran número de mediciones que aumenta rápidamente con la complejidad del sistema (dimensionalidad). Los experimentos anteriores realizados con este enfoque por el grupo de investigación mostraron que caracterizar o medir el estado cuántico de alta dimensión de dos fotones entrelazados puede llevar horas o incluso días. Además, la calidad del resultado es muy sensible al ruido y depende de la complejidad del montaje experimental.

Se puede pensar en el enfoque de medición proyectiva de la tomografía cuántica como mirar las sombras de un objeto de alta dimensión proyectado en diferentes paredes desde direcciones independientes. Todo lo que un investigador puede ver son las sombras y, a partir de ellas, puede inferir la forma (estado) del objeto completo. Por ejemplo, en la tomografía computarizada (tomografía computarizada), la información de un objeto 3D puede reconstruirse a partir de un conjunto de imágenes 2D.

En la óptica clásica, empero, existe otra forma de reconstruir un objeto 3D. A esto se le llama holografía digital, y se basa en la grabación de una sola imagen, llamada interferograma, obtenida al interferir la luz dispersada por el objeto con una luz de referencia.

Nueva técnica

Ahora, un equipo dirigido por Ebrahim Karimi, catedrático de investigación de ondas cuánticas estructuradas de Canadá, codirector del instituto de investigación NexQT de la Universidad de Ottawa y profesor asociado de la Facultad de Ciencias, amplió el concepto de holografía digital al caso de dos fotones.

Reconstruir un estado bifotónico requiere superponerlo con un estado cuántico presumiblemente bien conocido y luego analizar la distribución espacial de las posiciones a las que llegan dos fotones simultáneamente. La imagen de la llegada simultánea de dos fotones se conoce como imagen de coincidencia. Estos fotones pueden provenir de la fuente de referencia o de la fuente desconocida. La mecánica cuántica establece que la fuente de los fotones no se puede identificar. Esto da como resultado un patrón de interferencia que se puede utilizar para reconstruir la función de onda desconocida.

Foto (de izquierda a derecha): Dr. Alessio D'Errico, Dr. Ebrahim Karimi y Nazanin Dehghan.

Este experimento fue posible gracias a una cámara avanzada que registra eventos con una resolución de nanosegundos (una milésima de segundo) en cada píxel.

«Este método es exponencialmente más rápido que las técnicas anteriores y solo requiere minutos o segundos en lugar de días. Es importante destacar que el tiempo de detección no se ve influenciado por la complejidad del sistema: una solución al desafío de escalabilidad de larga data en la tomografía proyectiva», destacó el Dr. Alessio D'Errico, becario postdoctoral en la Universidad de Ottawa y uno de los coautores del artículo publicado en Nature Photonics.

El impacto de esta investigación va más allá de la comunidad académica. Tiene el potencial de acelerar los avances de la tecnología cuántica, como la mejora de la caracterización del estado cuántico, la comunicación cuántica y el desarrollo de nuevas técnicas de imágenes cuánticas.

Fuente: uOttawa. Edición: MP.