Fotones gemelos mantienen su correlación incluso después de viajar 7 km de un extremo al otro de la bahía de Guanabara

Experimento realizado entre Niterói y Río de Janeiro abre el camino para comprobar la preservación del entrelazamiento cuántico al aire libre y estructurar futuras redes de comunicación ultraseguras

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – En Brasil, investigadores de la Universidad Federal Fluminense (UFF) dieron un paso importante hacia la comunicación cuántica y la creación de una internet ultrasegura en el futuro. Lograron generar pares de “fotones gemelos” (partículas de luz) y demostraron que mantienen una fuerte correlación entre sí incluso después de que uno de ellos viajara cerca de 7 kilómetros por el aire, atravesando la bahía de Guanabara. Mientras un fotón permaneció en el laboratorio del campus de la UFF en Niterói, su “hermano” cruzó la bahía hasta el Morro da Urca, en Río de Janeiro.

“La comparación entre las dos detecciones mostró un número de correlaciones temporales muy superior al que podría producirse por casualidad”, explica el físico Antonio Zelaquett Khoury, profesor del Instituto de Física (IF) de la UFF y coordinador del proyecto “Rede Rio Quântica”, financiado por la FAPESP.

El experimento sugiere firmemente que los fotones podrían haber estado entrelazados cuánticamente y haber preservado su condición de entrelazamiento incluso después de que uno de los integrantes de cada par atravesara la turbulencia atmosférica. Si esta hipótesis se confirma, se habrá dado un paso importante hacia la implementación de un canal de comunicación cuántica en espacio libre.

Cabe recordar que, cuando dos partículas están entrelazadas, determinadas propiedades de una y otra quedan correlacionadas de tal manera que el par debe describirse como un único sistema cuántico, aunque sus componentes estén separados por grandes distancias. Esto puede aprovecharse en la comunicación cuántica para codificar información. Por ejemplo, mediante la distribución de claves criptográficas con un nivel de seguridad imposible de obtener en la comunicación clásica: cualquier intento de interceptar y medir los fotones altera las correlaciones cuánticas y puede, en principio, revelar la presencia de un intruso.

“La demostración de que el entrelazamiento sobrevive a kilómetros de propagación a través de la atmósfera podría abrir el camino a la construcción de redes cuánticas en espacio libre, incluidas aquellas capaces de conectar estaciones terrestres con satélites”, afirma Khoury.

La fuente de fotones gemelos fue desarrollada por el doctorando del IF-UFF André Luiz da Silva Santos Junior, bajo la dirección de Khoury. El trabajo cuenta con financiamiento de la FAPESP.

“El resultado decisivo aparece cuando se comparan los registros de los dos detectores. Como uno de los fotones se detecta prácticamente junto a la fuente y el otro debe atravesar la bahía, existe un pequeño intervalo de unos 20 microsegundos entre ambas detecciones, correspondiente esencialmente al tiempo de viaje del segundo fotón. Inmediatamente después de ese intervalo aparece un pronunciado pico de coincidencias [lo que demuestra que ambos equipos capturaron el par de gemelos y no luces aleatorias del entorno]”, explica Santos Junior.

El experimento registró 7 mil coincidencias acumuladas en un intervalo de cinco segundos, un resultado extremadamente significativo si se considera que la transmisión se realizó en dirección horizontal. Las pérdidas de información en una transmisión vertical son mucho menores porque, cuanto mayor es la distancia respecto de la superficie, más enrarecida se vuelve la atmósfera (es decir, hay menos moléculas de gas, polvo y vapor de agua que actúen como “obstáculos” capaces de reflejar, desviar o absorber la luz). En la transmisión horizontal, sin embargo, los fotones tuvieron que atravesar una extensa capa de aire, con turbulencias y otras fuentes de pérdida.

Pico de coincidencias entre las detecciones realizadas en la UFF, en Niterói, y en el CBPF, en Río de Janeiro. El fuerte aumento de las coincidencias en el intervalo de tiempo esperado permite identificar fotones pertenecientes a los mismos pares, pese a los 7 kilómetros de separación entre los detectores (imagen: André Luiz da Silva Santos Junior)

Nacidos juntos

Los fotones son las unidades elementales de radiación electromagnética (en términos más simples: son las “partículas” fundamentales que componen la luz visible y otros tipos de radiación). Reciben el nombre de “gemelos” cuando se producen en pares, simultáneamente, en un mismo proceso físico. En el experimento de la UFF, la generación se produce cuando un láser con una longitud de onda de 405 nanómetros, en la franja azul-violeta del espectro, incide sobre un cristal óptico no lineal.

La no linealidad del cristal es un aspecto fundamental del experimento y esto requiere una explicación más detallada. En materiales comunes, en el régimen de la denominada “óptica lineal”, la polarización eléctrica inducida en el objeto —es decir, el desplazamiento de las cargas eléctricas provocado por la luz— varía proporcionalmente al campo eléctrico de la propia luz. En estas condiciones, la luz puede cambiar de dirección, velocidad o polarización al atravesar el material, pero, en principio, no se generan nuevas frecuencias (es decir, si la luz entra azul, sale azul, con la misma longitud de onda). Sin embargo, en ciertos materiales, esta respuesta contiene también componentes que dependen de manera matemáticamente más compleja del campo eléctrico incidente. Cuando estos componentes adquieren relevancia, se entra en el ámbito de la “óptica no lineal”. Una de sus consecuencias es precisamente la posibilidad de convertir luz de una frecuencia en luz de otras frecuencias.

Esta propiedad es la que permite generar los fotones gemelos. En el proceso utilizado en el experimento —denominado “conversión paramétrica descendente espontánea” (spontaneous parametric down-conversion, SPDC)—, un fotón del láser, denominado “fotón de bombeo”, se convierte en el cristal en dos fotones de menor energía, convencionalmente denominados “señal” y “complementario”. La conservación de la energía exige que la suma de las energías de los dos fotones producidos sea igual a la energía del fotón original (como si se repartieran entre sí la energía del fotón que los generó). Al mismo tiempo, las condiciones en las que se produce la conversión —en particular, las denominadas “condiciones de ajuste de fase”— establecen relaciones entre sus frecuencias, direcciones de propagación y polarizaciones. Por ello, los dos fotones pueden nacer con propiedades fuertemente correlacionadas. Dependiendo de la configuración experimental, el estado cuántico producido también puede estar entrelazado, de modo que ciertas propiedades de los dos fotones ya no puedan describirse de manera independiente (como si compartieran una única identidad cuántica, incluso al alejarse uno del otro).

“El cristal utilizado fue elegido precisamente para aumentar la producción de estos pares. La generación es un proceso acumulativo: cuanto mayor es el recorrido de la luz en el material, mayor es la probabilidad de que se produzca la conversión. Y más brillante se vuelve la fuente, en el sentido de que genera más pares. André [Santos Junior] eligió precisamente la arquitectura con un cristal largo para maximizar la generación de pares”, informa Khoury.

Todo esto fue cuidadosamente planificado. Porque el aspecto diferencial del experimento consistía en llevarlo al aire libre, fuera de las condiciones protegidas del laboratorio. “Para superar la pérdida que inevitablemente tendríamos, necesitábamos generar muchos pares. Por eso, investigamos diferentes configuraciones hasta llegar a la arquitectura utilizada en la fuente”, señala Santos Junior.

Entrelazamiento: ¿sí o no?

Existe, sin embargo, una distinción importante. El hecho de que dos fotones sean gemelos no significa automáticamente que permanezcan entrelazados. El entrelazamiento es una correlación específicamente cuántica, mucho más profunda, en la que determinadas propiedades no pueden atribuirse de manera independiente a cada partícula: pertenecen al estado formado por el par.

La fuente construida por Santos Junior fue diseñada para producir fotones entrelazados en su polarización. La polarización está relacionada con la orientación espacial de la oscilación del campo eléctrico de la luz, que puede ser, por ejemplo, horizontal o vertical (imagine una cuerda estirada que se mueve de arriba abajo, creando ondas verticales, o de un lado a otro, creando ondas horizontales). Como en el entrelazamiento los dos fotones forman un único estado cuántico, el par entrelazado puede encontrarse en una superposición de las posibilidades “horizontal y horizontal” y “vertical y vertical”, sin que pueda atribuirse previamente a cada fotón una polarización independiente.

“El entrelazamiento en polarización ya se demostró cuando los dos fotones se miden localmente, en la UFF. El desafío ahora es demostrar que este entrelazamiento se mantiene cuando uno de los fotones sobrevuela la bahía de Guanabara”, resume Khoury.

El investigador añade que verificar la correlación, es decir, la condición de gemelos de los dos fotones, era el principal cuello de botella. Y este obstáculo fue superado con la detección de las señales coincidentes. “Sin las señales, no tendríamos cómo probar nada. A partir del momento en que comprobamos que realmente estamos observando un par de fotones gemelos, uno detectado en la UFF y el otro a 7 kilómetros de distancia, podemos comenzar a trabajar en la mejora de la calidad de la señal y buscar evidencias del entrelazamiento”.

Esta salvedad es esencial. El experimento todavía no ha demostrado que los dos fotones permanezcan entrelazados después de una separación de 7 kilómetros. Hasta ahora, demostró la producción local de pares con un alto grado de entrelazamiento y, por separado, la detección remota de las coincidencias entre los gemelos. La próxima etapa consistirá en realizar, con los detectores distantes, las mediciones de polarización necesarias para verificar si el entrelazamiento se mantiene después de que uno de los fotones viaje sobre la bahía.

Un canal a través de la atmósfera

Hacer que un único fotón atraviese kilómetros de atmósfera y llegue al lugar deseado no es trivial. Mucho antes del experimento con los pares, el grupo estudió el comportamiento del canal óptico entre Niterói y Urca utilizando luz láser convencional. La turbulencia atmosférica puede alterar considerablemente la distribución espacial del haz, desplazarlo y dificultar su captación por el telescopio receptor. Pero las pruebas también revelaron una característica favorable: la polarización de la luz demostró ser extremadamente resistente durante el trayecto.

“En las pruebas realizadas por nuestro grupo, diferentes estados de polarización fueron transmitidos a través de la bahía y recuperados con una fidelidad superior al 99 %. Esto nos indicó que la polarización era la mejor propiedad para codificar información en los fotones”, subraya Khoury. El resultado es particularmente importante porque es precisamente en la polarización donde el grupo pretende establecer el entrelazamiento entre los fotones separados y, posteriormente, implementar protocolos de comunicación cuántica.

El hecho de que el entrelazamiento aún no se haya demostrado de manera concluyente puede dar la falsa impresión de que el estudio se encuentra en una fase inicial. No es así. El grupo ya ha recorrido un largo camino. La propia orientación de los telescopios requirió el desarrollo de un sistema de estabilización activa. Pequeñas variaciones mecánicas y térmicas hacen que el equipo se desalinee lentamente, lo que, a una distancia de 7 kilómetros, puede ser suficiente para que el haz deje de alcanzar el receptor. Una fuente luminosa instalada en el extremo opuesto sirve como referencia. Una cámara monitorea su posición y, cuando detecta algún desplazamiento, un programa acciona motores que corrigen automáticamente la orientación del telescopio.

Según Khoury, la caracterización de la polarización de la luz transmitida por el canal aéreo, así como el sistema de estabilización activa, fueron desarrollados en el IF-UFF por la investigadora posdoctoral Amanda Kronhardt Fritsch, becaria de la FAPESP, y por el doctorando Marcos Gil de Oliveira, becario del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq). Además, los trabajos contaron con las contribuciones de los estudiantes Altilano Cristino Barbosa, becario de doctorado de la FAPESP, y Iury Prego Grego Correa, becario de iniciación científica.

También fue necesario sincronizar con gran precisión los dos extremos del experimento. Cada detector produce una señal electrónica cuando registra la llegada de un fotón, y el instante de esa detección debe marcarse con gran precisión. Es de esta comparación temporal de donde emerge la señal buscada. Para identificar cuáles de los registros realizados en Niterói y en Urca podían corresponder a los integrantes de un mismo par, era necesario comparar estas marcas de tiempo. Para ello, cada estación contaba con su propio reloj, sincronizado mediante GPS. Además, la comparación entre los instantes de detección requirió el envío de datos de una estación a otra.

“La velocidad de transmisión de la información a través de internet convencional era insuficiente para registrar adecuadamente las coincidencias en tiempo real. El problema se resolvió mediante la instalación de un enlace de radio dedicado entre las dos estaciones por parte de la empresa MLS Wireless, cuyo CEO, el doctor Rogério Passy, fue compañero mío de posgrado en la PUC-Rio [Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro] en la década de 1990 y cuenta con una amplia experiencia en comunicación óptica”, relata Khoury.

Existen fotones procedentes de otras fuentes y coincidencias que pueden producirse accidentalmente. Pero, cuando se enciende la fuente de pares, aparece, en el intervalo de tiempo esperado, un fuerte exceso de coincidencias. “La figura con el pico es el resultado en sí. Era la señal que estábamos buscando. Por una feliz coincidencia, obtuvimos las primeras detecciones el 20 de agosto de 2026, exactamente el día en que la Sociedad Brasileña de Física celebraba su 60.º aniversario”, celebra Khoury.