La forma de un fotón se puede utilizar para codificar información cuántica

Un equipo internacional de investigadores ha logrado medir la forma de fotones individuales, por primera vez. El resultado podría resultar muy útil para la transmisión segura de datos utilizando la luz

Los pulsos de luz puede tener casi cualquier forma en el espacio y tiempo, y estas formas dependen de las amplitudes y las fases de componentes de frecuencia del pulso. Los datos pueden ser codificados en impulsos de luz por la modulación de la amplitud o la fase de la luz. Los fotones simples y otros estados cuánticos de la luz también se pueden generar en una variedad de formas complejas y codificar información en esas diferentes formas podría ser un medio eficaz para transmitir datos de forma segura. De hecho, una forma única de fotón puede representar, por ejemplo, a cualquier letra del alfabeto, o incluso una combinación cuántica (o superposición) de varias letras.

Sin embargo, el problema es que una vez que se ha enviado un fotón a través de algún dispositivo —tal como una fibra óptica— su forma puede llegar a distorsionarse y la información contenida en él se hace imposible de descifrar. Un equipo dirigido por Marco Bellini, del Istituto Nazionale di Ottica en Florencia, Italia, y sus colegas, han logrado la manera de medir la forma exacta de un estado de un cuanto de luz que aparece en el extremo receptor por medio de un detector de «modo selectivo».

Los algoritmos evolutivos

El método se basa en algoritmos evolutivos que se utilizan comúnmente en los experimentos de femtoquímica y biología que optimizar un resultado experimental particular, mediante el ajuste de un conjunto de parámetros iniciales. «Lo que es nuevo en nuestro trabajo es que hemos aplicado este método para la detección de estados cuánticos de la luz ultrabreves, combinando por primera vez muy complejas y técnicas avanzadas que vienen de dos campos distantes de investigación: la óptica cuántica y control coherente en femtosegundos», explica Bellini .

Los investigadores empiezan por «mezclar» el fotón que se midió con un intenso pulso de luz láser de referencia, o un «oscilador local», como se le llama. El fotón y el pulso de láser interfieren y se refuerzan o se anulan entre sí, en función de sus formas. Cuanto más aproximadas estén sus formas, más probable es que sea detectado el fotón.

Lo que Bellini y compañeros de trabajo hacen es cambiar continuamente la forma del pulso láser en el detector hasta que mejor se adapta a la forma de un fotón. «Si la forma de un fotón es desconocida, partimos de un conjunto de formas aleatorias para el oscilador local y probamos todos hasta encontrar los que se desempeñan mejor para detecatr el estado del cuanto de luz», explica Bellini. «Modificamos ligeramente esas mejores formas y las mezclamos entre sí para crear una nueva generación de formas, que probamos una vez más contra nuestro fotón único. El proceso continúa hasta que se encuentran las mejores coincidencias de forma, en una especie de adaptación evolutiva».

Recuperación de información codificada

Los investigadores mostraron que su sistema podría recuperar la información que se haya codificado en la forma de un fotón. Por ejemplo, crearon fotones que tenían dos componentes de frecuencia separados con una diferencia de fase en particular. Los fotones se pudieron detectar mediante pulsos de oscilador local con una diferencia de fase coincidente, pero no se detectaron cuando los componentes del pulso del láser estaban justo fuera de fase con los fotones.

Hasta ahora, la mayoría de los experimentos de óptica cuántica se han basado en la generación, manipulación y detección de estados cuánticos de la luz en uno o sólo unos pocos modos bien definidos. Por ejemplo, la mayoría de los protocolos de comunicación cuántica —tales como la criptografía cuántica— se basan en direcciones diferentes de polarización (horizontal o vertical, por ejemplo) de un fotón. Esto significa que la información se codifica en sólo dos posibles estados de los fotones y todas sus superposiciones, a lo que se le llama un qubit.

«Al proporcionar acceso a todo el modo espacio-temporal de estructura del estado de un cuanto de luz, la cantidad de modos ortogonales que puede ocupar un solo fotón (las letras posibles en el «alfabeto») son prácticamente ilimitados, por lo que nuestro modo de encarar esto podría aumentar considerablemente las capacidades de una comunicación cuántica o de un sistema de cómputo «, dijo Bellini.

Los investigadores dice que ahora están probando los límites de la técnica. «También estamos tratando de mejorar el análisis de los estados cuánticos particulares de la luz y tratando de acrecentar la cantidad de modos independientemente direccionables que un único fotón puede ocupar», agregó Bellini.

El trabajo se detalla en Physical Review Letters.

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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