Descubren un mundo oculto de 48 dimensiones en la luz cuántica

Científicos de la Universidad de Witwatersrand en Sudáfrica, en colaboración con colegas de la Universidad de Huzhou, descubrieron una sorprendente característica en una de las herramientas más utilizadas en la óptica cuántica. Encontraron que los métodos estándar para producir fotones entrelazados pueden contener estructuras topológicas previamente no vistas. En sus experimentos, estas estructuras alcanzaron un récord de 48 dimensiones e incluyeron más de 17,000 firmas topológicas distintas, creando un vasto nuevo "alfabeto" para codificar información cuántica estable.

En la mayoría de los laboratorios de óptica cuántica, los fotones entrelazados se generan mediante una técnica llamada downconversion paramétrica espontánea (SPDC). Este proceso crea naturalmente entrelazamiento en las propiedades espaciales de la luz. Los investigadores descubrieron que dentro de esta estructura espacial existe un reino oculto de topologías de alta dimensión. Estos patrones complejos podrían proporcionar nuevas formas de almacenar y proteger información, haciendo 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 abarcar desde casos bidimensionales simples hasta dimensiones extremadamente altas. Esta flexibilidad permite estructuras mucho más ricas de lo que se había reconocido anteriormente.

La topología emerge de una única propiedad

Los hallazgos, publicados en Nature Communications, mostraron que medir el OAM de dos fotones entrelazados revela una topología intrínseca, una característica fundamental del entrelazamiento mismo. Dado que el OAM puede asumir un rango ilimitado de valores, las topologías asociadas también pueden extenderse a dimensiones muy altas.

"Reportamos un avance importante en este trabajo: solo necesitamos una propiedad de la luz (OAM) para crear una topología, mientras que anteriormente se asumía que se necesitaban al menos dos propiedades, generalmente OAM y polarización", expresó el profesor Andrew Forbes de la Escuela de Física de Wits. "La consecuencia es que, dado que el OAM es de alta dimensión, también lo es la topología, y esto nos permitió reportar las topologías más altas jamás observadas."

Los investigadores también encontraron que, una vez que la topología supera las dos dimensiones, ya no puede describirse mediante un único número. En su lugar, se requiere un rango de valores topológicos, reflejando una estructura mucho más rica y compleja que los sistemas ópticos estándar.