Ese Giro Que Todo Entrelaza

^{Fuente de la imagen https://newatlas.com/triple-quantum-entanglement-photons/42116/}

En un estudio que aparecerá en Physical Review Letters [1], los investigadores informan que los fotones entrelazados que viajan en trayectorias de sacacorchos han dado lugar a hologramas que ofrecen la posibilidad de cifrar datos de forma densa y ultrasegura.

^{Por Dra. Inés Urdaneta / Físico de Resonance Science Foundation}

Comúnmente, existen dos formas de hacer que la luz transporte información: a través de su polarización y a través de su momento angular, en particular su momento angular orbital (OAM).

La polarización se refiere a la orientación geométrica de las oscilaciones de las ondas electromagnéticas de la luz (de los componentes eléctrico y magnético de la luz). Como explicamos en nuestro anterior artículo de RSF El origen de la mecánica cuántica I: El campo electromagnético como onda, una onda electromagnética como la luz (también conocida como radiación electromagnética o REM) consiste en un campo eléctrico y un campo magnético oscilantes acoplados que son siempre perpendiculares entre sí. Por convención, la polarización de las ondas electromagnéticas se refiere a la dirección del campo eléctrico. En la polarización lineal, los campos oscilan en una única dirección. En la polarización circular o elíptica, como la representada en la imagen animada inferior, los campos giran a un ritmo constante en un plano a medida que la onda se desplaza, ya sea en el sentido de la derecha o de la izquierda.

_{Propagación de luz polarizada circularmente mostrando las componentes eléctrica y magnética (las ondas 2D rojas y verdes, respectivamente). Fuente de la imagen: https://www.pinterest.com/pin/538320961685310157/} 

Las fuentes comunes de REM, como el sol o las lámparas, irradian todo tipo de polarizaciones y, por tanto, su comportamiento neto se considera no polarizado. Haciendo pasar esta luz no polarizada a través de un polarizador (por ejemplo, una rendija), que permite el paso de ondas de una sola polarización, se puede producir luz polarizada. Algunos materiales, como los que presentan birrefringencia, dicroísmo o actividad óptica, afectan a la luz de forma diferente en función de su polarización. Y todas las moléculas quirales -moléculas que no pueden superponerse con su imagen especular- pueden hacer lo mismo.

^{Al igual que las manos, que son imagen especular la una de la otra, las moléculas quirales no pueden superponerse en una misma imagen.} 

Según la mecánica cuántica, las ondas electromagnéticas están compuestas por un flujo de partículas llamadas fotones (más información sobre la cuantización de la luz aquí). Desde este punto de vista, la polarización de una onda electromagnética viene determinada por una propiedad mecánica cuántica de los fotones denominada espín. Un fotón puede girar a la derecha o a la izquierda con respecto a su dirección de propagación. Las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente están compuestas por fotones con un solo tipo de espín, derecha o izquierda, mientras que las ondas polarizadas linealmente están formadas por fotones que se encuentran en una superposición de estados polarizados circularmente a derecha e izquierda con igual amplitud, y sus fases están sincronizadas para dar una oscilación en un plano.

La polarización es uno de los grados de libertad sobre los que se puede codificar la información. Aunque la polarización de los fotones es controlable y resistente a las turbulencias atmosféricas, los estados de polarización restringen la complejidad de los estados entrelazados para muchas tareas de comunicación cuántica porque residen en un espacio de estados bidimensional.

Esta limitación se supera con los modos de momento orbital-angular (OAM) de los fotones porque añade una dimensión adicional, obteniendo un movimiento de sacacorchos tridimensional que proporciona un espacio de estados ilimitado. Tales estados pueden transportar una mayor cantidad de información por fotón, y esto también permite tipos más complejos de correlaciones no clásicas, como el entrelazamiento de grandes números cuánticos, o entrelazamiento de alta dimensión, y la criptografía [1].

¿Cómo se consigue esto?

Cualquier onda electromagnética, como la luz, no sólo transporta energía, sino también momento, que es una propiedad característica de todos los objetos en movimiento. La existencia de este momento se hace evidente con el fenómeno denominado "presión de radiación", en el que un haz de luz transfiere su momento a un objeto que lo absorbe o lo dispersa, generando una presión mecánica sobre él. La luz ejerce presión sobre los objetos.

La luz también puede transmitir momento angular, que es una propiedad de todos los objetos en movimiento de rotación. Un haz de luz puede estar girando alrededor de su propio eje mientras se propaga hacia adelante, y la existencia de este momento angular se evidencia cuando se induce un par óptico a una pequeña partícula absorbente o dispersora que recibe esta transferencia de momento angular durante la interacción. 

El momento angular de la luz es una cantidad vectorial que expresa la cantidad de rotación dinámica presente en el campo electromagnético de la luz. Un haz de luz puede estar rotando, o "girando, retorciéndose" alrededor de su propio eje, mientras se propaga en línea recta. Se pueden encontrar dos formas distintas de rotación en un haz de luz, una que implica la polarización de los campos eléctrico y magnético alrededor de la dirección de propagación -denominada momento angular de espín de la luz (SAM)- y la otra se refiere a su frente de onda, en particular el frente de onda con forma helicoidal, y se denomina momento angular orbital de la luz (OAM) [2]. 

^{Por Oleg Alexandrov - elaboración propia con MATLAB, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3135623}

Como se muestra en la imagen animada anterior, un frente de onda plano es el conjunto de todos los puntos que tienen la misma fase, donde la fase es una cantidad similar a un ángulo que representa la fracción del ciclo cubierto en una rotación de 2π. En la imagen anterior, cuando un frente de onda plano atraviesa una lente, su frente de onda se curva, lo que significa que las ondas que componen el haz se han desfasado.

Los modos helicoidales del campo electromagnético se caracterizan por un frente de onda en forma de hélice, con un vórtice óptico (el punto de intensidad cero del haz) en el centro, en el eje del haz (véase la figura inferior).

^{Los modos helicoidales se caracterizan por un número entero m positivo o negativo. Si m = 0, el modo no es helicoidal y los frentes de onda son múltiples superficies desconectadas, por ejemplo, una secuencia de planos paralelos (de ahí el nombre de "onda plana"). Si m = ± 1 m = +1 o -1, la lateralidad determinada por el signo de m, el frente de onda tiene forma de una única superficie helicoidal, con una longitud de paso igual a la longitud de onda λ . Los haces de luz que están en modo helicoidal llevan OAM. Imagen de E-karimi - Obra propia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16678780}

En principio, los fotones con un frente de fase retorcido pueden transportar una cantidad discreta e ilimitada de momento angular orbital (OAM). El amplio espacio de estados permite tipos complejos de entrelazamiento que podrían resistir la decoherencia en entornos difíciles.

Las propiedades fundamentales de la física cuántica en dominios más amplios que los disponibles dentro de un laboratorio pueden lograrse mediante el entrelazamiento cuántico a larga distancia con fotones, lo que abre la posibilidad de la comunicación cuántica entre lugares muy separados que podrían actuar como nodos de una red cuántica global. Sin embargo, se espera que estas largas distancias sean difíciles de obtener debido a la influencia negativa de la turbulencia atmosférica en dichos modos.

Un trabajo de 2015 llevado a cabo en Viena y del que es coautor el premio Nobel Anton Zeilinger, presenta los resultados de un experimento en el que los autores muestran que la distribución de entrelazamiento con modos espaciales codificados en OAM es realmente posible a través de un enlace turbulento intraurbano de 3 kilómetros [3].

Sus resultados sugieren que la luz retorcida desempeña un papel fundamental en los sistemas de comunicación cuántica, permitiendo la transmisión de datos a alta velocidad porque la luz puede venir con diferentes cantidades de torsión, donde cada torsión sirve como un canal diferente de comunicación. Los autores identificaron 11 canales disponibles en su experimento y sugieren que con la tecnología adecuada disponible podría haber muchos más canales [4]. Esto posee una segunda limitación, cómo crear una clave segura entre las partes para evitar que extraños roben información.

Esto es lo que han logrado con éxito los recientes trabajos del físico Xiangdong Zhang, del Instituto de Tecnología de Pekín, y su equipo. En lugar de transmitir información por múltiples canales de luz retorcida, utilizando el mismo método para grabar datos en hologramas, los pares de fotones con diferentes cantidades de torsión crean conjuntos de datos distintos en un único holograma. Como se explica aquí, cuantos más estados de momento angular orbital intervengan, cada uno con diferentes cantidades de torsión, más datos podrán incluir los investigadores en un holograma.

"Nuestros resultados demuestran que la introducción del estado cuántico entrelazado en la holografía OAM hace que ésta posea infinitos canales de información y que la transmisión de información sea, en principio, absolutamente segura. Además, se logra el descifrado en presencia de ruido fuerte". Preimpreso del artículo [4].

Esto no sólo empaqueta más datos en los hologramas, sino que también aumenta la diversidad de giros utilizados para grabar los datos, lo que aumenta la seguridad de forma más que exponencial, ya que una persona necesita saber o adivinar cómo se ha retorcido la luz que lo ha grabado para poder leer la información que transporta.

Como se explica en el artículo de science news, para un holograma basado en dos tipos de torsión, habría que elegir la combinación correcta de las torsiones entre unas 80 posibilidades para descodificar los datos. Teniendo en cuenta las combinaciones de siete giros distintos, esto lleva a millones de posibilidades, lo que debería bastar para garantizar un sistema de cifrado holográfico cuántico seguro y confiable. 

RSF en Persepctiva-

Como se ha dicho anteriormente, un haz luminoso puede estar girando o torciendose alrededor de su propio eje mientras se propaga hacia delante, y la existencia de este momento angular se pone de manifiesto al transferirlo a una pequeña partícula absorbente o dispersora, que se ve así sometida a una torsión óptica. Pero este efecto no se limita a la interacción luz-materia, ya que también se ha descubierto el torque de Casimir. Es decir, se ha demostrado que el OAM de las fluctuaciones del vacío existe, y que induce un torque o gito en un sistema material.

¿Qué implica todo esto sobre el vacío cuántico?

"Sólo hay una cosa... hay un campo que está girando" - Nassim Haramein

El momento angular total del campo electromagnético y de los otros campos de fuerza, y de la materia se conserva siempre en el tiempo. ¿Cuál es el origen de la conservación del momento angular? Esta respuesta sobre la conservación del momento angular es un aspecto crítico de la teoría holográfica generalizada desarrollada por Nassim Haramein, a través de la cual emerge una teoría del campo unificado tal y como se explica en su próximo artículo Scale invariant unification of forces, fields and particles in a Quantum Vacuum plasma [5].

Como ya se ha mencionado, cuantos más estados de momento angular orbital haya en juego, cada uno con diferentes cantidades de torsión, más datos podrán incluir los investigadores en un holograma. Esto no sólo permite empaquetar más datos en los hologramas, sino que también aumenta la diversidad de torsiones utilizadas para registrar los datos, lo que aumenta la seguridad, ya que la persona necesita saber cómo se torció la luz que lo registró para poder leer la información que contiene.

No es un hecho casual que mediante el modelo holográfico generalizado, que explica el empaquetamiento de la información en cualquier sistema esférico en términos de las Unidades Esféricas de Planck -PSU- siendo los cuantos de momento angular del vacío cuántico- se esté logrando la unificación de escalas, demostrando además que vivimos en un universo holográfico donde la información está codificada holográficamente en la superficie o condición límite de agujeros negros en rotación, como los protones [6,7]. El espín y el momento angular del plasma del vacío cuántico son, por tanto, la fuente de transferencia de información entre escalas, entrelazada y protegida al máximo, responsable del holograma tridimensional que llamamos realidad.

Referencias:

[1] Ling-Jun Kong, Yifan Sun, Furong Zhang, Jingfeng Zhang, and Xiangdong Zhang High-Dimensional Entanglement-Enabled Holography Phys. Rev. Lett. 130, 053602 (2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.053602

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_angular_momentum_of_light

[3] Mario Krenn1,2,*, Johannes Handsteiner1,2, Matthias Fink1,2, Robert Fickler1,2,3, Anton Zeilinger, Twisted photon entanglement through turbulent air across Vienna https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1507/1507.06551.pdf

[4] Ling-Jun Kong, Furong Zhang, Jingfeng Zhang, Yifan Sun, and Xiangdong Zhang High-dimensional entanglement-enabled holography for quantum encryption https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-658825/v1

[5] O.Alirol and N. Haramein Scale invariant unification of forces, fields and particles in a Quantum Vacuum plasma, https://zenodo.org/record/4270619