(Phys.org):por primera vez, Los físicos han demostrado que los fotones hiperentangulados se pueden transmitir en el espacio libre, que mostraron enviando muchos miles de estos fotones entre los tejados de dos edificios en Viena. Hiperenredo significa que los fotones se entrelazan simultáneamente en al menos dos propiedades diferentes; en este experimento, los investigadores combinaron dos propiedades entrelazadas bidimensionales para lograr un hiperenredo tetradimensional.

Al demostrar que la transmisión por hiperenredo es factible en el mundo real y no solo en el laboratorio, los físicos esperan que la demostración pueda algún día ampliarse para establecer una Internet cuántica altamente segura que utilice satélites para transmitir información cuántica de forma rápida y segura en todo el mundo.

Los físicos dirigido por Rupert Ursin en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria en Viena, han publicado un artículo sobre la distribución de hiperenredo a través de enlaces atmosféricos de espacio libre en un número reciente de Comunicaciones de la naturaleza .

Los estados hiperenredados tienen varias ventajas sobre los estados con una sola propiedad entrelazada, incluyendo velocidades de datos más altas y niveles mejorados de seguridad en la comunicación cuántica. Hasta aquí, sin embargo, Los experimentos que involucran hiperenredos solo se han demostrado en entornos de laboratorio protegidos a distancias cortas. La capacidad de transmitir estados hiperentangulados a través de enlaces ópticos de espacio libre permitirá la transmisión a distancias más largas de lo que es posible utilizando fibras ópticas en el suelo.

Como explican los físicos, el tipo más simple de entrelazamiento entre fotones es el entrelazamiento de polarización. Cuando se mide, un fotón exhibirá uno de dos estados de polarización (vertical u horizontal), produciendo un entrelazamiento bidimensional en el grado de libertad de polarización. En codificación de polarización bidimensional, cada fotón está restringido a codificar como máximo un qubit.

Pero hay otras formas de entrelazar fotones, y estos métodos se pueden combinar con el entrelazamiento de polarización para lograr fotones hiperentrendados, que tienen el potencial de almacenar múltiples qubits.

En el nuevo trabajo los físicos combinaron el entrelazamiento de polarización con un segundo tipo de entrelazamiento llamado entrelazamiento de energía-tiempo, que implica el tiempo de emisión del par de fotones y puede tomar muchos valores posibles, resultando en muchas dimensiones más altas. En este experimento, por razones técnicas, los físicos usaron solo dos tiempos de emisión particulares, "temprano y tardío, "correspondiente a dos grados de libertad. Cuando se combinan, los dos tipos de entrelazamiento permitieron a los investigadores crear estados de hiperenredadera de cuatro dimensiones.

"Codificamos qubits en dos propiedades del fotón simultáneamente, ", dijo el coautor Fabian Steinlechner de la Academia de Ciencias de Austria Phys.org . "Codificamos un qubit en el grado de libertad de polarización bien estudiado, y otro en el grado de libertad tiempo-energía, que aún no se había demostrado que resistiera la transmisión a través de un enlace turbulento de espacio libre. De esta manera duplicamos la cantidad de entrelazamiento por fotón en comparación con experimentos anteriores sobre enlaces ópticos del mundo real. Aumentar la dimensionalidad del entrelazamiento y transmitir el entrelazamiento de alta dimensión en condiciones de enlace atmosférico del mundo real es un paso importante hacia sistemas de comunicación cuántica más eficientes y prácticos ".

La fuente de fotones hiperentangulada, que genera pares de fotones hiperentangulados, estaba ubicado en un laboratorio en el IQOQI en Viena. Para demostrar la distribución de hiperenredo, los investigadores almacenaron un fotón de cada par hiperenredado en el laboratorio y enviaron el otro fotón de cada par a través de una fibra óptica a un telescopio transmisor en el techo del edificio. Luego, el telescopio transmitió ese fotón en el espacio libre a un receptor en el techo de otro edificio ubicado a 1.2 km de distancia, que recogieron los fotones y verificaron su hiperenredo.

Aunque la turbulencia atmosférica hizo que variara la eficiencia de transmisión de los fotones enredados en exceso, y aproximadamente la mitad de los fotones distribuidos se perdieron debido a la absorción de los componentes ópticos, los investigadores todavía detectaron con éxito alrededor de 20, 000 pares de fotones por segundo. Los resultados demuestran, por primera vez, la viabilidad de utilizar el hiperenredo de energía-tiempo / polarización en condiciones del mundo real. Los investigadores ahora esperan desarrollar aplicaciones que aprovechen las ventajas del hiperenredo.

"Hiperenredo, entrelazamiento simultáneo en múltiples grados de libertad, se puede utilizar para codificar varios qubits entrelazados por fotón, ", dijo el coautor Sebastian Ecker de la Academia de Ciencias de Austria." Nos referimos a esto como entrelazamiento de alta dimensión. El aumento de la dimensionalidad del entrelazamiento promete velocidades de datos más altas y niveles mejorados de seguridad en la criptografía cuántica. dado que los intentos de copiar estados cuánticos de alta dimensión dan como resultado errores más grandes en comparación con la codificación bidimensional, lo que facilita la detección de un intruso. Es más, ciertas transformaciones son más fáciles de lograr cuando los estados cuánticos se codifican en varios grados de libertad, que puede hacer protocolos de procesamiento de información cuántica, como la teletransportación cuántica y la codificación densa, más fácil de implementar en la práctica ".

En el futuro, los físicos esperan aumentar la dimensionalidad mucho más allá de las cuatro dimensiones, empujando la cantidad de información cuántica que puede ser transmitida por un solo fotón hasta sus límites finales. Esto podría aumentar significativamente las tasas de datos en futuros experimentos con satélites.

"En nuestro experimento, Usamos dos dimensiones del espacio tiempo-energía, "Steinlechner dijo." Sin embargo, a diferencia de la polarización, el entrelazamiento tiempo-energía no se limita fundamentalmente a dos estados posibles y su dimensionalidad potencial es órdenes de magnitudes mayores ".

Si el hiperenredo puede transmitirse más arriba en el espacio, también abriría posibilidades para nuevos tipos de experimentos de física fundamental. Estos podrían incluir la investigación del colapso inducido por la gravedad de la función de onda y el procesamiento de información cuántica en condiciones relativistas.

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