Observación en tiempo real del entrelazamiento cuántico de fotones

Una técnica novedosa ha demostrado la visualización de la función de onda de dos fotones entrelazados, las partículas elementales que constituyen la luz, en tiempo real.

Utilizando la analogía de un par de zapatos, el concepto de entrelazamiento puede compararse con la selección de un zapato al azar. En el momento en que identificas un zapato, la naturaleza del otro (ya sea el izquierdo o el derecho) se discierne instantáneamente, independientemente de su ubicación en el universo. Sin embargo, el factor intrigante es la incertidumbre inherente asociada con el proceso de identificación hasta el momento exacto de la observación.

La función de onda, un principio central de la mecánica cuántica, proporciona una comprensión integral del estado cuántico de una partícula. Por ejemplo, en el ejemplo del zapato, la "función de onda" del zapato podría transportar información como izquierda o derecha, la talla, el color, etc.

Más precisamente, la función de onda permite a los científicos cuánticos predecir los resultados probables de diversas mediciones en una entidad cuántica, por ejemplo, posición, velocidad, etc.

Esta capacidad predictiva es invaluable, especialmente en el campo de la tecnología cuántica que avanza rápidamente, donde conocer un estado cuántico generado o ingresado en una computadora cuántica permitirá probar la computadora misma. Además, los estados cuánticos utilizados en la computación cuántica son extremadamente complejos e involucran muchas entidades que pueden exhibir fuertes correlaciones no locales (entrelazamiento).

Conocer la función de onda de un sistema cuántico de este tipo es una tarea desafiante; esto también se conoce como tomografía de estados cuánticos o, en resumen, tomografía cuántica. Con los métodos estándar (basados en las llamadas operaciones proyectivas), una tomografía completa requiere un gran número de mediciones que aumentan rápidamente con la complejidad (dimensionalidad) del sistema.

Experimentos anteriores realizados con este enfoque por el grupo de investigación demostraron que caracterizar o medir el estado cuántico de alta dimensión de dos fotones entrelazados puede llevar horas o incluso días. Además, la calidad del resultado es muy sensible al ruido y depende de la complejidad de la configuración experimental.

Se puede considerar el enfoque de medición proyectiva de la tomografía cuántica como observar las sombras de un objeto de alta dimensión proyectado en diferentes paredes desde direcciones independientes. Todo lo que un investigador puede ver son las sombras y, a partir de ellas, puede inferir la forma (estado) del objeto completo. Por ejemplo, en la tomografía computarizada (tomografía computarizada), la información de un objeto 3D se puede reconstruir a partir de un conjunto de imágenes 2D.

Sin embargo, en la óptica clásica existe otra forma de reconstruir un objeto 3D. Esto se llama holografía digital y se basa en el registro de una única imagen, llamada interferograma, que se obtiene interfiriendo la luz dispersada por el objeto con una luz de referencia.

El equipo, dirigido por Ebrahim Karimi, codirector del instituto de investigación Nexus for Quantum Technologies (NexQT) de la Universidad de Ottawa amplió este concepto al caso de dos fotones.

Reconstruir un estado bifotónico requiere superponerlo con un estado cuántico presumiblemente bien conocido y luego analizar la distribución espacial de las posiciones a las que llegan dos fotones simultáneamente. La imagen de la llegada simultánea de dos fotones se conoce como imagen de coincidencia. Estos fotones pueden provenir de la fuente de referencia o de la fuente desconocida. La mecánica cuántica afirma que no se puede identificar la fuente de los fotones.

Esto da como resultado un patrón de interferencia que puede usarse para reconstruir la función de onda desconocida. Este experimento fue posible gracias a una cámara avanzada que registra eventos con una resolución de nanosegundos en cada píxel.

El Dr. Alessio D'Errico, becario postdoctoral en la Universidad de Ottawa y uno de los coautores del artículo, destacó en un comunicado las inmensas ventajas de este enfoque innovador: "Este método es exponencialmente más rápido que las técnicas anteriores y solo requiere minutos o segundos" en lugar de días. Es importante destacar que el tiempo de detección no se ve influenciado por la complejidad del sistema, una solución al desafío de escalabilidad de larga data en la tomografía proyectiva".

El impacto de esta investigación va más allá de la comunidad académica. Tiene el potencial de acelerar los avances de la tecnología cuántica, como la mejora de la caracterización del estado cuántico, la comunicación cuántica y el desarrollo de nuevas técnicas de imágenes cuánticas.