Imagen de la cámara de un rayo láser en falso color, que consta de fotones en una superposición con números cuánticos entre +10, 000 y -10, 000. Después de hacer zoom dos veces, se puede revelar la enorme complejidad de la estructura. Crédito:IQOQI Viena / Robert Fickler
El equipo de investigación de la Universidad de Viena ha logrado romper dos nuevos récords mientras experimentaba con las llamadas partículas de luz retorcidas. Estos resultados, ahora publicado en la revista PNAS , no solo son de interés fundamental, sino que también dan una pista sobre la enorme capacidad de información que una sola partícula de luz puede ofrecer en futuras aplicaciones.
Luz retorcida
Tiempo y otra vez, Las propiedades de la luz sorprenden al mundo de la investigación. Por ejemplo, la luz se puede llevar en forma de sacacorchos para producir los llamados "tornillos de luz", como Anton Zeilinger, físico cuántico de la Universidad de Viena, describe. El hecho sorprendente es que, en principio, se puede imponer cualquier número de devanados a cada partícula de luz individual, llamados fotones. Cuanto mayor sea el número de bobinados, cuanto mayor sea el llamado número cuántico con el que se describe el fotón. Los resultados de los científicos vieneses del Centro de Viena de Ciencia y Tecnología Cuánticas (VCQ) de la Universidad de Viena y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Viena (IQOQI Viena) de la Academia de Ciencias de Austria han hecho uso de esta función en dos documentos, rompiendo récords previos en la distancia de transmisión y la magnitud del número cuántico.
Mensaje de luz retorcida transmitida a más de 143 kilómetros
En principio, la luz retorcida puede transportar una gran cantidad arbitraria de información por fotón. Esto contrasta con la polarización de la luz, que está limitado a un bit por fotón. Por ejemplo, velocidades de datos de hasta 100 terabits por segundo, que corresponden a unos 120 discos Blu-Ray por segundo, ya se han logrado en condiciones de laboratorio. La transmisión en condiciones realistas, sin embargo, está todavía en su infancia. Además de la transmisión a distancias cortas en fibras ópticas especiales, transmisión de tales haces de luz sobre el espacio libre, necesario, por ejemplo, para la comunicación por satélite, estaba limitado a tres kilómetros hasta ahora; logrado por el mismo equipo vienés hace dos años.
Tornillo de luz en los 143 km de camino entre las islas canarias de La Palma y Tenerife. Crédito:Universidad de Viena
En el estudio actual, El equipo de investigación de Anton Zeilinger y Mario Krenn muestra que la información codificada en luz retorcida aún se puede reconstruir incluso después de más de 100 kilómetros. El experimento se ha realizado entre las islas canarias de La Palma y Tenerife, que está a 143 kilómetros de distancia. "El mensaje '¡Hola mundo!' se ha codificado en un láser verde con un holograma óptico, y reconstruido con una red neuronal artificial en la otra isla ", explica Krenn, Estudiante de doctorado en el grupo de Zeilinger. Habiendo demostrado que estas propiedades de la luz se mantienen en principio a largas distancias, ahora tienen que combinarse con tecnologías de comunicación modernas, una tarea que ya varios grupos de todo el mundo están empezando a abordar.
Entrelazamiento cuántico con números cuánticos de 5 dígitos
Junto con el grupo de investigación de Ping Koy Lam en Canberra, Australia, el grupo vienés de Anton Zeilinger también investigó la fuerza con la que los fotones individuales pueden retorcerse en la estructura en forma de tornillo sin perder características cuánticas distintas. En otras palabras, ¿La física cuántica todavía se mantiene en el límite de los grandes números cuánticos o la física clásica y la experiencia cotidiana se están apoderando de nuevo? Para este propósito, los investigadores aprovecharon una técnica novedosa desarrollada por sus colegas en Australia. Allí, han establecido una técnica para fabricar los llamados espejos de fase espiral para torcer fotones de una manera fuerte sin precedentes y así aumentar los números cuánticos a valores enormes. Los espejos, hecho a medida para el experimento de Viena, permitir la generación de fotones en forma de tornillo con números cuánticos de más de 10, 000, que es cien veces más grande que en experimentos anteriores.
Imagen del tornillo de luz en la pared del telescopio de la Estación Óptica Terrestre de la ESA en Tenerife, Isla canario, tras ser transmitido a lo largo de más de 100 km. La estructura en forma de anillo, una firma de tornillos de luz, todavía es claramente visible. Crédito:Universidad de Viena
En primer lugar, los investigadores vieneses generaron pares de fotones entrelazados, es decir, dos partículas de luz que aparentemente están conectadas a pesar de estar separadas por una distancia arbitraria. El entrelazamiento es el fenómeno distintivo de la física cuántica, que Einstein describió como "acción espeluznante a distancia". Después de completar este paso inicial, Luego, los investigadores retorcieron uno de los fotones con los espejos australianos sin destruir el entrelazamiento, demostrando así que la física cuántica es válida incluso si se entrelazan números cuánticos de 5 dígitos. Aunque impulsado por cuestiones fundamentales, ya se pueden anticipar futuras aplicaciones. "La enorme complejidad de la estructura de la luz es fascinante y puede verse como una indicación intuitiva de cuánta información debe caber en un solo fotón", explica Robert Fickler, autor principal del estudio y actualmente trabaja como becario postdoctoral en la Universidad de Ottawa, Canadá.
Por eso, En ambos estudios, los investigadores establecieron nuevos registros con "tornillos de luz" para investigar cuestiones fundamentales y allanar el camino hacia posibles tecnologías futuras.
