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| Una metasuperficie con modulación totalmente óptica del índice de refracción induce un entrelazamiento cuántico de color y trayectoria en un fotón único transmitido. Crédito: Laboratorio Nacional de Los Álamos |
Metasuperficies cuánticas espacio-temporales
Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos propone que las metasuperficies cuánticas moduladas pueden controlar todas las propiedades de los qubits fotónicos, un avance que podría repercutir en los campos de la información, las comunicaciones, la detección y la obtención de imágenes cuánticas, así como en la captación de energía y momentos. Los resultados de su estudio se publicaron ayer en la revista Physical Review Letters, editada por la American Physical Society.
"La gente ha estudiado las metasuperficies clásicas durante mucho tiempo", dice Diego Dalvit, que trabaja en el grupo de Materia Condensada y Sistemas Complejos de la División Teórica del Laboratorio. "Pero a nosotros se nos ocurrió esta nueva idea, que consistía en modular en el tiempo y en el espacio las propiedades ópticas de una metasuperficie cuántica que nos permitiera manipular, a la carta, todos los grados de libertad de un solo fotón, que es la unidad más elemental de la luz".
Las metasuperficies son estructuras ultrafinas que pueden manipular la luz de formas que no suelen verse en la naturaleza. En este caso, el equipo desarrolló una metasuperficie que parecía una matriz de cruces giradas, que luego pueden manipular con láseres o pulsos eléctricos. A continuación, propusieron disparar un solo fotón a través de la metasuperficie, donde el fotón se divide en una superposición de muchos colores, trayectorias y estados de giro que se entrelazan, generando el llamado entrelazamiento cuántico, es decir, el fotón único es capaz de heredar todas estas propiedades diferentes a la vez.
"Cuando la metasuperficie se modula con pulsos láser o eléctricos, se puede controlar la frecuencia del fotón único refractado, alterar su ángulo de trayectoria, la dirección de su campo eléctrico, así como su giro", dice Abul Azad, del Centro de Nanotecnologías Integradas de la División de Física de Materiales y Aplicaciones del Laboratorio.
Manipulando estas propiedades, esta tecnología podría utilizarse para codificar la información en los fotones que viajan dentro de una red cuántica, desde bancos, ordenadores cuánticos y entre la Tierra y los satélites. La codificación de fotones es especialmente deseable en el campo de la criptografía porque los "fisgones" no pueden ver un fotón sin cambiar su física fundamental, lo que, de hacerse, alertaría al emisor y al receptor de que la información ha sido comprometida.
Los investigadores también están trabajando en cómo extraer fotones del vacío modulando la metasuperficie cuántica.
"El vacío cuántico no está vacío, sino lleno de fotones virtuales fugaces. Con la metasuperficie cuántica modulada se pueden extraer y convertir eficazmente los fotones virtuales en pares de fotones reales", afirma Wilton Kort-Kamp, que trabaja en la División Teórica del grupo de Materia Condensada y Sistemas Complejos del Laboratorio.
Aprovechar los fotones que existen en el vacío y dispararlos en una dirección debería crear propulsión en la dirección opuesta. Del mismo modo, agitar el vacío debería crear un movimiento de rotación a partir de los fotones retorcidos. La luz cuántica estructurada podría entonces utilizarse algún día para generar un empuje mecánico, utilizando sólo pequeñas cantidades de energía para impulsar la metasuperficie.
Fuentes, créditos y referencias:
Más información: Wilton J. M. Kort-Kamp et al, Space-Time Quantum Metasurfaces, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.043603
Información de la revista: Physical Review Letters
Creditos a PhysOrg