Obtienen el entrelazamiento de haces de luz en un trabajo realizado en la Universidad de São Paulo

Este fenómeno podrá tener aplicaciones en la criptografía, la comunicación y la computación cuántica

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El entrelazamiento cuántico ha venido siendo objeto de un intenso esfuerzo de investigación. Este tipo de fenómeno ocurre cuando se generan o interactúan dos o más sistemas de manera tal que los estados cuánticos de unos no pueden describirse independientemente de los estados cuánticos de los otros. Esos sistemas quedan entonces correlacionados, más allá de la distancia existente entre ellos. El interés en estudiarlo obedece a su gran potencial de aplicación en la criptografía, la comunicación y la computación cuántica. Y la dificultad de ello reside en que, al relacionarse con el medio, los sistemas dejan de entrelazarse casi inmediatamente.

En el marco del más reciente trabajo del Laboratorio de Manipulación Coherente de Átomos y Luz (LMCAL), del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), en Brasil, los científicos de su equipo lograron desarrollar una fuente de luz que produce dos haces luminosos entrelazados. Y un artículo al respecto ha sido publicado en Physical Review Letters.

“Esta fuente de luz, conocida como oscilador paramétrico óptico (OPO), está constituida típicamente por un cristal con respuesta óptica no lineal situado en medio de dos espejos que forman una cavidad óptica. Al incidir un haz de luz de color verde intenso sobre este aparato, la dinámica existente entre el cristal y ambos espejos produce dos haces luminosos que exhiben correlaciones cuánticas”, describe el físico Hans Marin Florez, coordinador del estudio.

El problema reside en que la luz que emiten los OPO a base de cristales no puede interactuar con otros sistemas de interés en el contexto de la información cuántica, tales como átomos fríos, iones o chips, ya que posee una longitud de onda distinta a la de dichos sistemas. “En un trabajo anterior de nuestro grupo, demostramos que en lugar de emplear un cristal era posible utilizar los propios átomos como medio. De este modo, produjimos por primera vez un OPO a base de átomos de rubidio en el cual los dos haces luminosos exhibían correlaciones cuánticas de intensidad. Por lo tanto, obtuvimos una fuente que podía interactuar con otros sistemas, tales como los de átomos fríos, con potencial para operar como memorias cuánticas”, informa Marin Florez.

No obstante, esto aún no era suficiente como para decir que los haces se encontraban entrelazados. Aparte de la intensidad, sería necesario que las fases de los haces, relacionadas con la sincronización de las ondas de luz, también exhibiesen correlaciones cuánticas. “Fue precisamente esto que hicimos en este nuevo estudio, publicado en Physical Review Letters”, afirma el investigador.

Y así lo detalla: “Partiendo del mismo experimento, añadimos nuevas etapas de detección que nos permitieron medir las correlaciones cuánticas en la amplitud y en la fase de los campos generados. De este modo, demostramos que los mismos exhibían entrelazamiento. Asimismo, la técnica de detección nos permitió observar que la estructura de entrelazamiento es más rica de lo que se caracterizaría en forma típica. En lugar de contar con dos bandas espectrales vecinas entrelazadas, obtuvimos a decir verdad un sistema compuesto por cuatro bandas espectrales entrelazadas”.

El entrelazamiento en este caso se concreta entre las amplitudes y las fases de las ondas. Y esto es fundamental en diversos protocolos para procesar y transmitir información codificada cuánticamente. Aparte de estas posibles aplicaciones, dichos tipos de fuentes de luz podrían utilizarse también en metrología. “Las correlaciones cuánticas de intensidad exhiben como consecuencia una disminución considerable de las fluctuaciones de intensidad, cosa que puede incrementar la sensibilidad de los sensores ópticos. Es como estar en una fiesta en la que todos están hablando. Esto dificulta escuchar a alguien que se encuentre del otro lado del salón. Pero si el ruido disminuye a punto tal que todas las demás personas hacen silencio, podremos oír lo que dice aquella persona distante”, compara Marin Florez.

Al respecto de esto, una aplicación que el científico menciona consistiría en aumentar la sensibilidad de magnetómetros atómicos que pueden medir las ondas alfa emitidas por el cerebro humano.

El estudio contó con el apoyo de la FAPESP en el marco del Proyecto Temático intitulado “Para explotar la información cuántica con átomos, cristales y chips”, coordinado por Marcelo Martinelli. Y también mediante una beca de posdoctorado otorgada a Marin Florez y dos becas doctorales: una para Álvaro Montaña Gerreiro, autor principal del artículo, y otra para Raul Leonardo Rincon Celis.

Este trabajo demostró también una ventaja adicional del OPO a base de átomos de rubidio en comparación con los OPO a base de cristales. “En los OPO con cristales, es necesario emplear espejos que mantengan la luz dentro de la cavidad durante un lapso de tiempo más largo para que la interacción produzca los haces con correlaciones cuánticas. Pero mediante el empleo de medios atómicos, en los cuales la generación de ambos haces es más eficiente que en los cristales, los espejos no necesitan mantener la luz durante tanto tiempo”, comenta Marin Florez.

Antes de este trabajo, otros grupos ya habían intentado producir algún OPO con átomos. Pero no lograron demostrar las correlaciones cuánticas en los haces que generaron. Con este nuevo experimento, quedó demostrado que no existía una limitación intrínseca del sistema que impidiera que esto se materializase. “Descubrimos que la temperatura de los átomos es determinante para observar esas correlaciones cuánticas. Por lo que todo indica, los otros trabajos operaban a temperaturas más altas, lo que hizo imposible que los investigadores observasen las correlaciones”, comenta Marin Florez.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Continuous Variable Entanglement in an Optical Parametric Oscillator Based on a Nondegenerate Four Wave Mixing Proces in Hot Alkali Atoms en el siguiente enlace: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.163601.