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El oscilador paramétrico óptico (OPO) utilizado en el estudio. Crédito: Alvaro Montaña Guerrero
Los científicos estudian cada vez más el entrelazamiento cuántico, que se produce cuando dos o más sistemas se crean o interactúan de tal manera que los estados cuánticos de unos no pueden describirse independientemente de los estados cuánticos de los otros. Los sistemas están correlacionados, aunque estén separados por una gran distancia. El importante potencial de aplicaciones en encriptación, comunicaciones y computación cuántica estimula la investigación. La dificultad estriba en que cuando los sistemas interactúan con su entorno, casi inmediatamente se desenmarañan.
Debido al importante potencial de aplicaciones en encriptación, comunicaciones y computación cuántica, este tipo de fenómeno suscita el interés de la investigación. El problema es que los sistemas se desenredan casi instantáneamente cuando interactúan con su entorno.
En la investigación más reciente, científicos del Laboratorio de Manipulación Coherente de Átomos y Luz (LMCAL) de Brasil, en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), lograron crear una fuente de luz que generó dos haces de luz entrelazados. La revista Physical Review Letters publica un artículo sobre el estudio.
Esta fuente de luz era un oscilador paramétrico óptico, u OPO, que suele estar formado por un cristal de respuesta óptica no lineal entre dos espejos que forman una cavidad óptica. Cuando un haz verde brillante ilumina el aparato, la dinámica cristal-espejo produce dos haces de luz con correlaciones cuánticas.
Hans Marin Florez, último autor del estudio y físico del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo
La cuestión es que, como la longitud de onda de la luz emitida por los OPO basados en cristales difiere de la de los sistemas en cuestión, como átomos fríos, iones o chips, no puede interactuar con otros sistemas relevantes para la información cuántica.
Florez añadió: "Nuestro grupo demostró en trabajos anteriores que los propios átomos podían utilizarse como medio en lugar de un cristal. Por tanto, produjimos el primer OPO basado en átomos de rubidio, en el que dos haces estaban intensamente correlacionados cuánticamente, y obtuvimos una fuente que podía interactuar con otros sistemas con potencial para servir de memoria cuántica, como los átomos fríos."
Sin embargo, esto no demostró que los haces estuvieran entrelazados. Para demostrar las correlaciones cuánticas, también eran necesarias las fases de los haces, que tienen que ver con la sincronización de las ondas luminosas.
"Eso es precisamente lo que hemos conseguido en el nuevo estudio publicado en Physical Review Letters. Repetimos el mismo experimento pero añadimos nuevos pasos de detección que nos permitieron medir las correlaciones cuánticas en las amplitudes y fases de los campos generados", afirmó además Flórez.
Y añadió: "Como resultado, pudimos demostrar que estaban entrelazados. Además, la técnica de detección nos permitió observar que la estructura de entrelazamiento era más rica de lo que se suele caracterizar. En lugar de dos bandas adyacentes del espectro entrelazadas, lo que habíamos producido en realidad era un sistema que comprendía cuatro bandas espectrales entrelazadas".
En este caso, las amplitudes y fases de las ondas estaban mezcladas. Esto es fundamental para muchos protocolos utilizados para procesar y transmitir información que ha sido codificada cuánticamente. Además de estos usos potenciales, este tipo de fuente de luz también podría emplearse en metrología.
"Las correlaciones cuánticas de intensidad dan lugar a una reducción considerable de las fluctuaciones de intensidad, lo que puede aumentar la sensibilidad de los sensores ópticos. Imagínese una fiesta en la que todo el mundo está hablando y no se oye a nadie al otro lado de la sala. Si el ruido disminuye lo suficiente, si todo el mundo deja de hablar, se puede oír lo que dice alguien a una buena distancia", añadió Florez.
Una de las aplicaciones potenciales, añadió, es aumentar la sensibilidad de los magnetómetros atómicos utilizados para medir las ondas alfa producidas por el cerebro humano.
La FAPESP financió el estudio a través de un Proyecto Temático dirigido por el profesor Marcelo Martinelli, del IF-USP, una beca postdoctoral concedida a Flórez y dos becas de doctorado concedidas al primer autor del estudio, lvaro Montaa Gerreiro, y a Raúl Leonardo Rincón Celis.
Además, el artículo destaca las ventajas de los OPO de rubidio frente a los OPO de cristal.
Florez señaló: "Los OPO de cristal tienen que tener espejos que mantengan la luz dentro de la cavidad durante más tiempo, para que la interacción produzca haces correlacionados cuánticamente, mientras que el uso de un medio atómico en el que se producen los dos haces de forma más eficiente que con los cristales evita la necesidad de espejos que aprisionen la luz durante tanto tiempo."
Otros equipos habían intentado crear OPO utilizando átomos antes de que lo hiciera su equipo, pero habían sido incapaces de mostrar correlaciones cuánticas en los haces de luz que generaban. Los resultados del nuevo experimento demostraron que no había ningún límite sistémico que lo hubiera impedido.
Florez afirmó además: "Descubrimos que la temperatura de los átomos es clave para la observación de correlaciones cuánticas. Al parecer, los otros estudios utilizaban temperaturas más altas que impedían a los investigadores observar las correlaciones."
Fuentes, créditos y referencias: