Manipulando las Leyes Cuánticas para Crear Dispositivos Cuánticos Eficientes y Mejorar la Tecnología de Comunicación Cuántica

^{Crédito: American Physical Society}  

^{Por: Amal Pushp, Físico afiliado de Resonance Science Foundation} 

El premio Nobel de Física de este año se ha concedido a tres físicos por sus descubrimientos fundamentales en los fundamentos de la mecánica cuántica. En concreto, se les ha concedido por demostrar la violación de las desigualdades de Bell a través de experimentos que implican el entrelazamiento de fotones, y el avance de la ciencia de la información cuántica, en general, a causa de los descubrimientos. La Dra. Ines Urdaneta, física de RSF ya ha descrito el premio Nobel de este año en su último artículo. Se recomienda al lector que lo consulte para obtener más detalles.    

En este artículo, nos centramos en la manipulación de este conocimiento fundamental que plantean algunos de los trabajos relacionados con la creación de dispositivos cuánticos eficientes. Nuestro objetivo es discutir algunos de los recientes avances en la tecnología cuántica que aparentemente se basan en las leyes de la mecánica cuántica y el procesamiento de la información cuántica. 

Uno de los descubrimientos se refiere a la precisión de las mediciones cuánticas. En este sentido, investigadores de la Universidad de Tampere han abierto el debate sobre la anomalía de fase de Gouy, que se produce durante el enfoque de las ondas de luz [1].  

Robert Fickler, líder del grupo de Óptica Cuántica Experimental de la Universidad de Tampere, afirma: "Curiosamente, empezamos con una idea basada en nuestros resultados anteriores y nos propusimos estructurar la luz cuántica para mejorar la precisión de las mediciones. Sin embargo, luego nos dimos cuenta de que la física subyacente de esta aplicación también contribuye al largo debate sobre los orígenes de la anomalía de fase de Gouy de los campos de luz enfocados".

Una de las características destacadas de la fase Gouy es que puede utilizarse para descubrir la dinámica de un haz de luz y la velocidad de la fase Gouy cuántica puede ayudar a mejorar la precisión de las mediciones de distancia. 

El siguiente dispositivo cuántico que nos ocupa son los qubits fotónicos, que son esencialmente unidades cuantizadas de información. Uno de los retos tecnológicos de los qubits fotónicos es su transmisión a largas distancias, ya que los fotones son propensos a sufrir ciertas pérdidas (de energía, intensidad, etc.) durante la transmisión a grandes distancias. Otro reto es la falta de interacciones mutuas entre fotones. Para hacer frente a algunos de estos retos, investigadores de la Universidad de Copenhague (Dinamarca), el Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC (España) y la Ruhr-Universität Bochum (Alemania) han ideado un nuevo método que se ha publicado en Nature Physics [2]. Como se describe en el informe de Phys.org, su método consiste en acoplar emisores cuánticos a una guía de ondas nanofotónica de forma ordenada, lo que permite interacciones no lineales entre paquetes de ondas de fotones individuales (véase la figura siguiente).

^{Dos fotones que se propagan en una guía de ondas interactúan con un único emisor cuántico. La interacción fotón-fotón da lugar a correlaciones. Crédito de la imagen y el texto: Le Jeannic et al.} 

Por último, veamos algunos importantes avances recientes en la tecnología de la comunicación cuántica. El entrelazamiento es uno de los principios clave utilizados en la creación de redes de comunicación cuántica seguras y es potencialmente factible para la comunicación cuántica a larga distancia. Por ejemplo, el físico experimental Jian-Wei Pan, que resulta ser también el antiguo alumno del premio Nobel de este año, Anton Zeilinger, aplicó el entrelazamiento cuántico y mostró su distribución a dos lugares separados por unos 1.203 Km en la Tierra [3]. Esto se consiguió mediante un satélite cuántico que tenía dos estaciones terrestres en China, estableciendo un record de distancia para las correlaciones no locales.  

Otra aplicación sólida que desempeña un papel fundamental en la tecnología de la comunicación cuántica es la llamada QKD, que significa Distribución Cuántica de Claves. Curiosamente, los fundamentos de esta tecnología también fueron dirigidos y moldeados por Anton Zeilinger y sus colegas. Para ser más específicos sobre este trabajo, Zeilinger fue uno de los primeros en dirigir un grupo de investigación que finalmente exhibió la QKD basada en el entrelazamiento [4]. Este logro tiene consecuencias de gran alcance y, en la era moderna, encuentra su utilidad en la ciberseguridad, ya que podría tener un impacto significativo en la seguridad de las comunicaciones. 

Por lo tanto, de nuestra discusión se desprende que el premio de física de este año ha resultado ser un merecido reconocimiento, ya que el trabajo fundacional está ayudando al auge de la industria cuántica de numerosas maneras mediante la creación de tecnologías eficientes. Sería interesante ver cómo las tendencias actuales en la investigación de los fundamentos cuánticos marcan el camino hacia las aplicaciones tecnológicas cuánticas en diversos ámbitos de la investigación científica, desde la ciencia médica hasta la cosmología. 

Referencias 

[1] Markus Hiekkamäki et al, Observation of the quantum Gouy phase, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01077-w 

[2] Hanna Le Jeannic et al, Dynamical photon–photon interaction mediated by a quantum emitter, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01720-x 

[3] Jian-Wei Pan et al, Satellite-Based Entanglement Distribution Over 1200 kilometers, Science (2017). DOI: 10.1126/science.aan3211 

[4] Anton Zeilinger et al, Quantum Cryptography with Entangled Photons, Physical Review Letters (2000). DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.4729