Investigadores revelan dimensiones ocultas en un solo fotón

Un equipo de físicos de la Universidad de Witwatersrand en Sudáfrica, junto a colegas de la Universitat Autònoma de Barcelona, demostró cómo la luz a nivel cuántico puede ser moldeada intencionadamente en el espacio y el tiempo, produciendo estados cuánticos multidimensionales. Al controlar cuidadosamente el patrón espacial, el tiempo y el espectro de un fotón, lograron diseñar lo que se conoce como fotones estructurados. Estas partículas de luz personalizadas abren nuevas posibilidades para la comunicación cuántica de alta capacidad y tecnologías cuánticas de próxima generación.

Los hallazgos se publicaron en una revisión en Nature Photonics, que examina los rápidos avances en la creación, control y medición de la luz cuántica estructurada. El artículo destaca un conjunto creciente de herramientas potentes, que incluyen fotónica integrada en chip, óptica no lineal y conversión de luz en múltiples planos. Juntas, estas técnicas están transformando los estados cuánticos estructurados de conceptos de laboratorio a sistemas prácticos para imagenología, detección y redes cuánticas.

De herramientas vacías a control cuántico avanzado

El profesor Andrew Forbes de la Universidad de Witwatersrand, autor correspondiente del estudio, comentó que la transformación en este campo durante los últimos 20 años ha sido notable. "El modelado de estados cuánticos, donde la luz cuántica se diseña para un propósito específico, ha ganado impulso recientemente, comenzando a mostrar su verdadero potencial. Hace veinte años, las herramientas para esto eran prácticamente inexistentes. Hoy contamos con fuentes de luz cuántica estructurada en chip que son compactas y eficientes, capaces de crear y controlar estados cuánticos".

Una ventaja significativa de moldear fotones es que permite a los investigadores utilizar alfabetos de codificación de alta dimensión. En términos simples, cada fotón puede transportar más información y resistir interferencias de manera más efectiva. Esto hace que la luz cuántica estructurada sea especialmente atractiva para sistemas de comunicación cuántica segura.

Desafíos en la comunicación cuántica a larga distancia

A pesar del progreso, las condiciones del mundo real aún plantean obstáculos. Algunos canales de comunicación no son adecuados para fotones estructurados espacialmente, lo que limita la distancia que estas señales pueden recorrer en comparación con propiedades más tradicionales, como la polarización. "Aunque hemos logrado un progreso asombroso, aún existen problemas desafiantes", señaló Forbes. "El alcance de distancia con luz estructurada, tanto clásica como cuántica, sigue siendo muy bajo... pero esto también representa una oportunidad, estimulando la búsqueda de grados de libertad más abstractos para explotar".

Para abordar esta limitación, los investigadores están explorando formas de otorgar propiedades topológicas a los estados cuánticos. Las características topológicas pueden hacer que la información cuántica sea más estable frente a perturbaciones. "Hemos demostrado recientemente cómo las funciones de onda cuánticas tienen el potencial de ser topológicas, lo que promete la preservación de la información cuántica incluso si el entrelazamiento es frágil", añadió Forbes.

Entrelazamiento multidimensional y aplicaciones futuras

La revisión también detalla desarrollos acelerados en entrelazamiento multidimensional, estructuración temporal ultrarrápida, técnicas de detección no lineales avanzadas y dispositivos compactos en chip que pueden generar o procesar luz cuántica de mayor dimensión que nunca. Estos avances están allanando el camino para la imagenología cuántica de alta resolución, herramientas de medición extremadamente precisas y redes cuánticas capaces de transmitir más datos a través de múltiples canales interconectados.

En general, el campo parece estar alcanzando un momento crucial. Los investigadores creen que la óptica cuántica basada en luz estructurada está lista para un crecimiento significativo, con un futuro que se vislumbra "muy prometedor"; sin embargo, se requiere trabajo adicional para aumentar la dimensionalidad, elevar la producción de fotones y diseñar estados cuánticos que puedan resistir entornos ópticos realistas.