Vea También
 |
| (a) el esquema propuesto. (b) la transmisión correcta de una imagen Clover. (c) una transmisión incorrecta. Crédito: Lixiang Chen |
Ha habido un interesante debate sobre el origen cuántico o clásico de las imágenes fantasma en la luz térmica. Para aclarar este dilema cuántico-clásico, Lixiang Chen, de la Universidad de Xiamen (China), formuló una matriz de densidad para describir completamente el estado de momento angular orbital térmico de dos fotones, que reveló la cuántica oculta con discordancia no nula. A continuación, se ideó un esquema de imitación del teletransporte para demostrar la posibilidad de teletransportar una imagen óptica, con un fondo sin características.
En la ciencia ficción, el "teletransporte" se presenta habitualmente como un medio para transferir objetos físicos de un lugar a otro a cierta distancia. Pero en física, el teletransporte cuántico sólo transfiere información cuántica, es decir, el estado cuántico de una partícula, sin ninguna transmisión física de la propia partícula. El protocolo cuántico de teletransporte fue desarrollado teóricamente por Bennett y sus colaboradores en 1993 y su primera demostración experimental fue realizada por Bouwmeester y sus colegas en 1997. Recientemente se ha avanzado en la realización del teletransporte desde un transmisor en la Tierra a un receptor en un satélite, hacia una escala global. En el esquema original, el entrelazamiento cuántico es un requisito esencial para realizar el teletransporte.
Por otro lado, la imagen fantasma representa una intrigante técnica de adquisición de imágenes en la que se puede reconstruir una imagen utilizando un haz de luz que nunca interactúa con el objeto. Sin embargo, se ha demostrado que, además de la fuente de bifotones cuánticos entrelazados, también se puede aprovechar la fuente de luz térmica clásica para realizar la tarea de obtención de imágenes fantasma, lo que plantea la cuestión de si el entrelazamiento es realmente necesario para la obtención de imágenes fantasma. Se han realizado muchos trabajos destacados, tanto teóricos como experimentales, pero aún persiste el dilema cuántico-clásico.
En un nuevo artículo publicado en Light Science & Application, Lixiang Chen, de la Facultad de Ciencias Físicas y Tecnología de la Universidad de Xiamen (China), ha investigado este dilema cuántico-clásico que aún persiste. En un espacio de Hilbert de momento angular orbital (OAM) de fotones, formuló una matriz de densidad para describir completamente el estado de dos fotones dentro de una fuente de luz térmica, que aparece como una suma de un estado enredado OAM de alta dimensión y un estado diagonal totalmente separable. Curiosamente, se ha demostrado que la matriz de densidad es separable, es decir, que el entrelazamiento per se es nulo. Aun así, esta formulación ofrece una imagen físicamente intuitiva para revelar la cuántica oculta en el estado OAM térmico de dos fotones, como se caracterizó por la discordia geométrica no nula que discierne las correlaciones cuánticas más allá del entrelazamiento.
 |
| (a) el esquema propuesto. (b) la transmisión correcta de una imagen Clover. (c) una transmisión incorrecta. Crédito: Lixiang Chen |
La siguiente pregunta que surge de forma natural es si este estado térmico de dos fotones, no enredado y no clásico, podría explorarse para cualquier aplicación cuántica útil. El autor respondió positivamente a esta pregunta revisando el protocolo de teletransporte cuántico. Las simulaciones numéricas mostraron que, a nivel monofotónico, el estado térmico de dos fotones OAM podría ser explotado para teletransportar un estado OAM de alta dimensión, en el que el estado recuperado es sólo una mezcla de una réplica exacta del estado original y uno de fondo máximamente mezclado.
A diferencia del estado de polarización bidimensional, los estados propios de OAM forman una base infinita, ortogonal y completa. Por lo tanto, una imagen óptica de amplitud compleja puede ser representada de forma equivalente por un vector de estado OAM de alta dimensión. Así, también se demostró teóricamente la posibilidad de teletransportar una imagen de Trébol tanto de amplitud como de fase modulada, con múltiples repeticiones del protocolo.
El profesor Chen resume el principio operativo del protocolo de la siguiente manera "El campo de luz, emitido por una fuente de luz térmica, se divide en dos caminos mediante un divisor de haz no polarizante, que genera el estado térmico de OAM de dos fotones. El fotón de una trayectoria se dirige a interactuar con otro tercer fotón (codificado con la imagen Clover de amplitud compleja) en la etapa de medición de estado de Bell (BSM) de alta dimensión. En función de los resultados de la BSM y tras realizar una operación unitaria adecuada, el fotón de la otra trayectoria se envía a golpear una cámara ICCD que trabaja en modo de disparo. Entonces, la imagen original puede ser recuperada correctamente por la cámara ICCD, con la repetición múltiple de nuestro protocolo."
"En la presente propuesta, la transmisión correcta de una imagen está garantizada por el componente de entrelazamiento OAM puro de alta dimensión, mientras que el componente diagonal completamente mezclado sólo aporta un fondo sin características". Y añadió.
"En el futuro, mi marco teórico también puede propiciar más estudios sobre el uso del estado multifotónico térmico para demostrar algunas nuevas tareas de información cuántica, como la preparación de estados remotos y la obtención de imágenes novedosas con fotones no detectados". Prevé el profesor Chen.
Fuentes, créditos y referencias:
Lixiang Chen, Quantum discord of thermal two-photon orbital angular momentum state: mimicking teleportation to transmit an image, Light: Science & Applications (2021). DOI: 10.1038/s41377-021-00585-8