Físicos de la Universidad de Witwatersrand en Sudáfrica, junto con colegas de la Universitat Autónoma de Barcelona, han demostrado cómo la luz a nivel cuántico puede moldearse deliberadamente a través del espacio y el tiempo para crear estados cuánticos multidimensionales y de alta dimensión. Controlando cuidadosamente el patrón espacial, el tiempo y el espectro de un fotón, el equipo puede diseñar lo que se conoce como fotones estructurados. Estas partículas de luz hechas a medida abren nuevas posibilidades para la comunicación cuántica de alto rendimiento y las tecnologías cuánticas de próxima generación.
Aparece una revisión publicada de sus resultados Fotónica de la naturalezaque examina los rápidos avances en la creación, control y medición de la luz cuántica estructurada. El artículo destaca un conjunto cada vez mayor de herramientas poderosas, que incluyen fotónica integrada en chips, óptica no lineal y conversión de luz multiplano. Juntos, estos métodos están transformando estados cuánticos estructurados de conceptos de laboratorio en sistemas prácticos para imágenes, detección y redes cuánticas.
De la caja de herramientas vacía al control cuántico avanzado
El profesor Andrew Forbes de la Universidad Wits, autor correspondiente del estudio, dijo que la transformación del campo en los últimos 20 años ha sido notable. “La adaptación de estados cuánticos, donde la luz cuántica se adapta a un propósito específico, ha cobrado impulso últimamente y finalmente ha comenzado a mostrar todo su potencial. Hace veinte años, el conjunto de herramientas para esto estaba prácticamente vacío. Hoy tenemos fuentes de luz estructurada cuántica en chips que son compactas y eficientes y capaces de generar estados controlables”.
Una ventaja importante de la formulación de fotones es que permite a los investigadores utilizar alfabetos de codificación de alta dimensión. En pocas palabras, cada fotón puede transportar más información y resistir la interferencia de manera más eficaz. Esto hace que la luz cuántica estructurada sea especialmente atractiva para sistemas de comunicación cuánticos seguros.
Desafíos de la comunicación cuántica a larga distancia
A pesar de los avances, las condiciones del mundo real todavía plantean obstáculos. Algunos canales de comunicación no son adecuados para fotones estructurados espacialmente, lo que limita la distancia que pueden viajar estas señales en comparación con propiedades más tradicionales como la polarización. “Si bien hemos logrado avances sorprendentes, aún quedan cuestiones desafiantes”, dijo Forbes. “La distancia alcanzada con la luz estructurada, tanto clásica como cuántica, sigue siendo corta… pero esta es una oportunidad que estimula la búsqueda de grados de libertad más abstractos en la absorción”.
Para abordar esta limitación, los investigadores están explorando formas de otorgar propiedades topológicas a los estados cuánticos. Las propiedades topológicas pueden hacer que la información cuántica sea más estable frente a las perturbaciones. “Recientemente hemos demostrado cómo las funciones de onda cuántica tienen el potencial de ser inherentemente topológicas, y esto promete preservar la información cuántica incluso si el entrelazamiento es frágil”, dice Forbes.
Entrelazamiento multidimensional y aplicaciones futuras.
La revisión describe el rápido desarrollo del entrelazamiento multidimensional, la estructuración temporal ultrarrápida, técnicas avanzadas de detección no lineal y dispositivos compactos en chips que pueden generar o procesar luz cuántica de dimensiones superiores como nunca antes. Estos avances están allanando el camino para la obtención de imágenes cuánticas de alta resolución, herramientas de medición de alta precisión y redes cuánticas capaces de transmitir más datos a través de múltiples canales interconectados.
En general, el campo parece haber llegado a un momento crítico. Los investigadores creen que si bien la óptica cuántica basada en luz estructurada está preparada para un gran crecimiento, el futuro parece “muy brillante”, pero se necesita trabajo adicional para ampliarla, aumentar la producción de fotones y diseñar estados cuánticos que puedan soportar entornos ópticos realistas.
