Científicos de la Universidad de Witwatersrand en Sudáfrica, en colaboración con colegas de la Universidad de Huzhou, han descubierto una característica sorprendente en una de las herramientas más utilizadas en óptica cuántica. Descubrieron que el mecanismo ideal para producir fotones entrelazados puede tener estructuras topológicas nunca antes vistas. En sus experimentos, estas estructuras alcanzaron un récord de 48 dimensiones e incluyeron más de 17.000 firmas topológicas distintas, creando un nuevo y vasto “alfabeto” para codificar información cuántica estable.
En la mayoría de los laboratorios de óptica cuántica, los fotones entrelazados se generan mediante una técnica llamada conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC). Este proceso provoca naturalmente un entrelazamiento en las propiedades espaciales de la luz. Los investigadores descubrieron que dentro de esta estructura espacial se encuentra un reino oculto de topologías de dimensiones superiores. Estos patrones complejos podrían proporcionar nuevas formas de almacenar y proteger información, lo que podría hacer que los sistemas cuánticos sean más resistentes al ruido.
El equipo demostró este efecto utilizando el momento angular orbital (OAM) de la luz, que puede extenderse desde el caso bidimensional simple hasta dimensiones extremadamente altas. Esta flexibilidad permite estructuras mucho más ricas de lo que se reconocía anteriormente.
La topología se deriva de una sola propiedad.
Resultados, publicados comunicación de la naturalezamuestran que medir la OAM de dos fotones entrelazados revela una topología subyacente, que es una propiedad fundamental del entrelazamiento. Dado que OAM puede aceptar una gama ilimitada de valores, las topologías correspondientes también pueden ser muy escalables.
“Informamos de un gran avance en este trabajo: sólo necesitamos una propiedad de la luz (OAM) para crear la topología, mientras que anteriormente se pensaba que serían necesarias al menos dos propiedades, generalmente OAM y polarización”, dijo el profesor Andrew Forbes de la Escuela de Física Wits. “El resultado es que debido a que el OAM es de alta dimensión, también lo es la topología, y esta es la topología más alta que jamás hayamos observado”.
Los investigadores también descubrieron que una vez que la topología va más allá de dos dimensiones, ya no puede describirse con un solo número. En cambio, se requiere una gama de valores topológicos que reflejen estructuras mucho más ricas y complejas que los sistemas ópticos estándar.
Un descubrimiento escondido a plena vista
Uno de los aspectos más destacables de este avance es lo accesible que es. Los recursos necesarios ya están presentes en la mayoría de los laboratorios de óptica cuántica, lo que significa que no se necesitan equipos especiales ni “ingenieros cuánticos” para aprovechar el efecto.
Pedro Ornellas explica: “Se obtiene la topología de forma gratuita, a partir del entrelazamiento del espacio. Siempre estuvo ahí, sólo había que encontrarla”.
Guiado por la teoría, confirmado por el experimento.
Según el autor principal, el profesor Robert De Mello Koch de la Universidad de Huzhou, identificar estas estructuras no fue fácil. “No es tan obvio dónde buscar topología en dimensiones superiores. Usamos conceptos abstractos de la teoría cuántica de campos para predecir dónde buscar y qué buscar, ¡y lo encontramos en el experimento!”
Hacia tecnologías cuánticas más potentes
Aunque el entrelazamiento del momento angular orbital se ha explorado ampliamente, a menudo se ha considerado frágil. Los investigadores ahora sugieren que verlo a través del lente de la topología puede cambiar esa visión. Utilizando estas estructuras recién descubiertas, los científicos podrían desarrollar sistemas cuánticos más confiables, abriendo la puerta a aplicaciones prácticas en el mundo real.
