Física de la naturaleza hoy dia, Lunes, 23 de enero de 2017, publicó en línea la investigación de un equipo dirigido por físicos de la Facultad de Física de la Universidad de Wits. En su artículo titulado:Caracterización de canales cuánticos con estados de luz clásica no separables, los investigadores demuestran el sorprendente resultado de que a veces la naturaleza no puede diferenciar entre tipos particulares de rayos láser y fotones entrelazados cuánticos.

En esencia, la investigación muestra que a veces la naturaleza no puede diferenciar entre los mundos cuántico y clásico (o real), y que existe una zona gris entre los dos mundos llamada entrelazamiento clásico.

Mundos clásico y cuántico

Los sistemas de comunicación actuales son muy rápidos, pero no fundamentalmente seguro. Para hacerlos seguros, los investigadores utilizan las leyes de la naturaleza para la codificación explotando las extravagantes propiedades del mundo cuántico, como en el caso del uso de Quantum Key Distribution (QKD) para una comunicación segura.

"Cuántico" se refiere a lo pequeño, y en el mundo de la fotónica esto significa un fotón, una sola partícula de luz. Las reglas del mundo cuántico son muy diferentes de las del mundo clásico, y los experimentos son tradicionalmente mucho más difíciles debido a la dificultad de manejar solo unos pocos fotones.

"En el mundo clásico, nuestra intuición es cierta. No hay sorpresas y se pueden hacer experimentos con muchos fotones (miles y miles de millones de ellos), como la luz láser, "explica el profesor Andrew Forbes, Líder del equipo de la colaboración y Profesor Distinguido de la Facultad de Física donde dirige el Laboratorio de Luz Estructurada Wits.

"Pero no es así en el mundo cuántico, donde las cosas nunca son lo que parecen. Aquí las ondas a veces parecen partículas partículas como ondas, y las medidas cambian las propiedades de lo que está tratando de medir ".

Es posible la corrección de errores cuánticos en tiempo real

Ahora los investigadores han demostrado que existe un área gris donde la naturaleza no puede diferenciar entre lo clásico y lo cuántico. Esto abre la posibilidad de realizar primero experimentos cuánticos con un tipo de luz clásica llamada luz "clásicamente entrelazada".

Por ejemplo, establecer un enlace de comunicación cuántica seguro a larga distancia es muy desafiante:"Los enlaces cuánticos (como en la fibra óptica) que utilizan patrones de luz languidecen a distancias cortas precisamente porque no hay forma de proteger el enlace contra el ruido (interferencia de, por ejemplo, niebla o una curva en un cable) sin detectar los fotones. Todavía, una vez detectados, se destruye su utilidad, "dice Forbes.

Esta situación de la trampa 22 ha sido un obstáculo aparentemente insuperable. Ahora, el equipo ha demostrado que esto se puede superar utilizando campos de luz clásicos (muchos fotones), permitiendo la corrección de errores cuánticos en tiempo real.

Al preparar y enviar un rayo llamado "entrelazado clásico", el equipo pudo demostrar que esto era idéntico a enviar un estado cuántico. Esto significa que el decaimiento del entrelazamiento cuántico observado debido al ruido en el enlace se puede revertir, allanando el camino para grandes avances en enlaces cuánticos seguros en fibra y espacio libre.

"Demostramos por primera vez que la luz clásica se puede utilizar para analizar un enlace cuántico, actuando como un equivalente directo al comportamiento del estado cuántico, "dice Bienvenu Ndagano, autor principal y estudiante de doctorado en Wits University.

"No es similar, o imitando, pero equivalente. Para mostrar esto, explotamos un tipo particular de rayo láser, llamados rayos vectoriales, que tienen la propiedad de ser inseparables y, a veces, llamados 'clásicamente entrelazados' ".

Ndagano explica que la propiedad por excelencia del entrelazamiento cuántico es la no separabilidad del estado, lo que significa que una parte del sistema no se puede separar de la otra. "Pero la no separabilidad no es exclusiva del mundo cuántico:puede encontrarla en mapas meteorológicos donde las ubicaciones en el mapa y las temperaturas en esas ubicaciones no se pueden separar".

Luz clásica entrelazada

Más intrigante, Los haces vectoriales clásicos también tienen esta propiedad, que el equipo llama luz "clásicamente entrelazada".

Dice Forbes, "Lo que preguntamos fue:¿significa esto que la luz clásica se puede utilizar en sistemas cuánticos, un área gris entre los dos mundos que llamamos entrelazamiento clásico?".

"La noción de entrelazamiento clásico es muy controvertida en la comunidad de la física y algunos argumentan que es simplemente una construcción matemática, "dice Thomas Konrad (UKZN), coautor del artículo. "Este trabajo muestra que también tiene un significado físico, y ofrecemos los primeros datos en paralelo de la equivalencia del entrelazamiento clásico y cuántico ".

Previamente, corregir un error en el estado cuántico utilizado para la comunicación segura significaría medir el fotón enviado, lo que a su vez significaría perder la información que se estaba intentando enviar.

Este trabajo permite establecer y probar enlaces cuánticos de larga distancia con luz entrelazada clásica:como no hay escasez de fotones en la luz clásica, todas las mediciones necesarias para corregir los errores en el estado cuántico se pueden realizar en tiempo real sin destruir la información cuántica.

Por lo tanto, La corrección de errores en tiempo real es posible ya que puede ejecutar experimentos en el mundo clásico que le dirán cómo corregir el error en el mundo cuántico.

Transferencia de datos rápida y segura a través de un enlace del mundo real

El equipo está trabajando para empaquetar tanta información en fotones utilizando patrones de luz como un medio para codificar la información. Dado que hay un número ilimitado de patrones, la cantidad de información que se puede enviar de forma segura también es, en principio, al menos, ilimitado.

Si bien todos los patrones son equivalentes en términos de capacidad de información, este trabajo sugiere que la elección del patrón también juega un papel importante en el análisis y corrección de los errores experimentados al pasar el enlace.

"Al trabajar en esta zona gris entre lo clásico y lo cuántico, podemos mostrar una transferencia de datos rápida y segura a través de enlaces del mundo real, "dice Forbes.