9 de septiembre de 2025
Investigadores en la India han demostrado que el entrelazamiento de fotones en una base continua variable se reactiva a medida que los fotones se propagan desde su fuente. Este descubrimiento podría resultar útil para la transmisión segura de información cuántica a largas distancias y para la obtención de imágenes cuánticas en medios turbulentos.
Los físicos exploran ampliamente el entrelazamiento cuántico entre fotones, a menudo para desarrollar nuevas tecnologías cuánticas para la computación, la comunicación, la detección y la obtención de imágenes. Algunas aplicaciones potenciales requieren el envío de fotones entrelazados a largas distancias o a través de entornos turbulentos sin pérdidas. Sin embargo, actualmente resulta muy difícil preservar ciertos tipos de entrelazamiento en estas circunstancias, y el éxito puede depender de muchos factores, incluyendo cómo se codifica la información cuántica en los fotones.
Ahora anand jaja y colegas en el Laboratorio de Óptica Cuántica y Entrelazamiento En el Instituto Indio de Tecnología de Kanpur, se ha propuesto una posible solución mediante el uso de las posiciones angulares de los fotones para codificar información. Observaron que el entrelazamiento parece desaparecer a medida que los fotones se propagan, pero luego, curiosamente, reaparece. También demostraron que el entrelazamiento se reactiva incluso después de que los fotones viajen a través de aire turbulento, lo que normalmente destruiría el entrelazamiento. Describen su investigación en Science Advances.
Los fotones poseen diversos grados de libertad que pueden utilizarse para codificar información cuántica. La elección depende del tipo de información que se deba codificar. Para los cúbits, se pueden usar propiedades discretas como la polarización o el momento angular orbital de un fotón. Sin embargo, en ocasiones, especialmente para aplicaciones de detección e imagen, es preferible codificar la información cuántica de forma más continua. En tales aplicaciones, la propiedad entrelazada más estudiada —o «base»— es la posición de un fotón dada por sus coordenadas cartesianas.
El fenómeno del entrelazamiento cuántico confiere a las partículas una relación más estrecha que la permitida por la física clásica y es independiente de la base particular utilizada para codificar la información cuántica. Sin embargo, la forma en que se utiliza o mide el entrelazamiento en un experimento puede no ser independiente de la base. Esto se aplica a un "testigo" de entrelazamiento, que es una magnitud matemática que determina si un sistema está entrelazado. Los testigos dependen de la base para bases continuas, y esta dependencia implica que algunos tipos de entrelazamiento continuo pueden ser más útiles que otros.
En el caso de la base posición-momento, el entrelazamiento, visto a través del testigo, se desvanece rápidamente a medida que los fotones se alejan de su fuente. Para sortear este problema, los científicos suelen obtener imágenes de la propia fuente para aprovechar el entrelazamiento entre fotones. Cualquier turbulencia en la trayectoria también destruye rápidamente el entrelazamiento, lo que requiere soluciones complejas como la óptica adaptativa para recuperarlo. Estas medidas correctivas adicionales limitan la utilidad de estos fotones entrelazados.
Esta última investigación de Jha y sus colegas explora cómo se puede preservar el entrelazamiento utilizando una base alternativa estrechamente relacionada: la posición angular de un fotón.
En su experimento, los investigadores generaron fotones entrelazados al enviar luz de un láser de bombeo de alta potencia a un cristal no lineal. En condiciones donde se conservan la energía y el momento de los fotones, un fotón de bombeo produce dos fotones entrelazados en un proceso denominado conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC). Los dos fotones están entrelazados en todas sus propiedades. Si se detecta un fotón en una ubicación, por ejemplo, la posición del otro fotón entrelazado se determina automáticamente. La correlación también existe para otras magnitudes, como el momento, la posición angular y el momento angular orbital.
Como se observó a través del testigo sin medidas correctivas, los investigadores notaron que el entrelazamiento de posición entre fotones desaparece después de unos 4 cm de propagación. Por otro lado, ocurre algo interesante con el entrelazamiento de posición angular. Este desaparece después de unos 5 cm de propagación, pero después de que los fotones hayan recorrido otros 20 cm, el entrelazamiento reaparece (véase la figura). Los investigadores corroboraron cualitativamente sus resultados experimentales con un modelo numérico.
El método de destilación fortalece el entrelazamiento cuántico en un solo par de fotones.
Se observó la misma tendencia cuando el equipo creó un entorno turbulento en la trayectoria de los fotones entrelazados. Esto se logró utilizando un calentador de aire para agitar el aire y modificar su índice de refracción. En este caso, el entrelazamiento se reactivó después de que la luz se propagara a una distancia mayor, de aproximadamente 45 cm.
Aún no se sabe con certeza qué causa la reaparición del entrelazamiento en la base de posición angular. Esta base es especial porque se enrolla tras una vuelta completa. Este es uno de sus factores distintivos, según Jha.
Aunque el estudio demuestra robustez a distancias inferiores a un metro, Jha y sus colegas afirman que la reactivación también es posible a distancias de kilómetros. Esto podría permitir la transmisión de información cuántica a través de la turbulencia atmosférica sin destruir el entrelazamiento cuántico. La robustez frente a la turbulencia también podría posibilitar la obtención de imágenes cuánticas de objetos en entornos bioquímicos difusos con una mínima invasión o destrucción.
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