Los buenos vecinos a menudo comparten recursos:una taza de azúcar, sillas de jardín adicionales, un juego de cables de puente. Los investigadores de todo el campus de la Universidad de Arizona pronto podrán compartir un recurso menos común, y mucho más valioso, para ayudarlos a avanzar en su investigación:fotones entrelazados, o pares interconectados de partículas ligeras.

Con aproximadamente $ 1.4 millones en financiamiento - $ 999, 999 de la National Science Foundation y alrededor de $ 400, 000 de la UA:el profesor Zheshen Zhang dirige la construcción del instrumento de ingeniería e investigación de información cuántica interdisciplinaria, conocido como Inquire, en la UA. Inquire es el primer instrumento de investigación y formación compartido del mundo para ayudar a los investigadores de diversos campos, incluidos aquellos sin experiencia en la ciencia de la información cuántica, a beneficiarse de los recursos cuánticos.

Zhang es profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y ciencias ópticas, y líder del Grupo de Materiales e Información Cuántica de la UA. Los co-investigadores del proyecto Inquire incluyen a Ivan Djordjevic, profesor de ingeniería eléctrica e informática y ciencias ópticas; Jennifer Barton, director del Instituto BIO5 y profesor de ingeniería biomédica, ingeniería de biosistemas, ingeniería Eléctrica y Computación, y ciencias ópticas; Nasser Peyghambarian, profesor de ciencias ópticas; y Marek Romanowski, profesor asociado de ingeniería biomédica, y ciencia e ingeniería de materiales.

Una red de cables de fibra óptica conectará un centro de información cuántica automatizado en el sótano del edificio de Ingeniería Eléctrica e Informática a otros cuatro edificios en el campus:Biosciences Research Labs, Minas y Metalurgia, Física y Ciencias Atmosféricas, y Meinel Optical Sciences.

"Uno de los placeres de la UA es colaborar con los mejores académicos que trabajan en campos de vanguardia, ", Dijo Barton." Parece ciencia ficción, pero Zheshen está construyendo una instalación que creará fotones entrelazados cuánticos, luego envíelos a través de fibra óptica a la mitad del campus, directamente en el recurso de bioimagen traslacional en el edificio de los laboratorios de investigación de biociencias ".

"Este es un proyecto emocionante que representa a la perfección algunos de los temas clave que subyacen a nuestro plan estratégico, ", dijo el presidente de la UA, Robert C. Robbins." Para ser un líder en la Cuarta Revolución Industrial, debemos aprovechar la colaboración, Manténgase a la vanguardia de la tecnología y proporcione un entorno de alta potencia donde los investigadores tengan las herramientas que necesitan para resolver los grandes desafíos del mundo. Espero ver las nuevas oportunidades que brinda esta instalación una vez que esté terminada ".

La construcción del proyecto ya ha comenzado. La fecha de finalización prevista es septiembre de 2021.

Ver fotones individuales

Al igual que un átomo es la unidad más pequeña de materia, un fotón es la unidad más pequeña de luz. Entonces, mientras podemos ver la luz de decenas de miles de millones de fotones en una habitación iluminada por una lámpara o un patio iluminado por el sol, el ojo humano, y la mayoría de los microscopios, no puede ver fotones individuales. Pero a veces esta información demasiado pequeña para verla puede ser importante. Por ejemplo, un laboratorio de ingeniería biomédica podría estar realizando un estudio de imágenes de una proteína o una molécula orgánica que emite una señal demasiado débil para que la vean las cámaras tradicionales.

"Puede enviar sus fotones a la instalación central, que está equipado con una serie de cámaras ultrasensibles que pueden ver cosas al nivel de un solo fotón, "Dijo Zhang.

Tradicionalmente, Los investigadores utilizaron láseres de alta potencia para iluminar estas muestras biológicas, que a veces se dañaron en el proceso. El uso de fotones entrelazados como fuente de iluminación proporciona una mayor sensibilidad, menos poder iluminador, y la misma resolución, o incluso superior.

"Dos fotones entrelazados pueden valer un millón de sus hermanos clásicos, potencialmente permitiéndonos obtener imágenes más profundas sin dañar el tejido, "Dijo Barton.

Palpado de alta precisión

Estos cables de fibra óptica son una calle de dos vías. Los investigadores pueden enviar sus fotones al eje central para que los microscopios de alta tecnología obtengan imágenes. pero el centro también puede compartir fotones entrelazados con laboratorios de todo el campus.

Los fotones entrelazados son pares interconectados. Incluso cuando están separados por grandes distancias, cualquier cosa que le suceda a un fotón en un par entrelazado también se transferirá al otro.

Esta relación tiene varios usos. Por ejemplo, los investigadores pueden utilizar fotones como sondas para ayudar a determinar la naturaleza de los materiales no identificados. Los cambios que un material introduce en un fotón, como un cambio de color, proporcionar pistas sobre la identidad del material. Cuando un fotón entrelazado en un par se usa como sonda, el material introduce cambios en ambos fotones en el par entrelazado.

"Ahora puede realizar una medición en ambos fotones para conocer la muestra que se está probando, ", Dijo Zhang." Puedes tener el doble de información sobre la forma en que el material está afectando al fotón ".

Comunicaciones seguras

Los fotones entrelazados también se pueden utilizar en la comunicación cuántica, un método seguro para enviar y recibir datos que está diseñado para evitar escuchas. Funciona así:antes de que la Parte A comparta información confidencial con la Parte B, La parte A envía una "clave cuántica, "una serie de fotones entrelazados que sirve como código para descifrar futuras transmisiones. Las claves cuánticas están diseñadas para que el mismo acto de descifrar o leer su contenido cambie su contenido.

Si la clave cuántica llega con alguna de las partes descifradas, las partes comunicantes saben que no deben utilizar esa parte de la clave para cifrar transmisiones futuras, porque ha sido "leído" por piratas informáticos. Las partes que se comunican pueden simplemente cortar esa parte de la clave y usar una nueva, clave cuántica más corta que saben que es segura.

El Partido A y el Partido B en el ejemplo anterior no necesitan ser científicos de la información cuántica. Los investigadores de todo tipo de disciplinas pueden beneficiarse de las características únicas de los fotones entrelazados, y el objetivo de Inquire es permitir eso.

"Esta es un área clave que la National Science Foundation identifica como una de sus 10 grandes ideas y realmente quiere impulsarla porque es muy interdisciplinaria, ", Dijo Zhang." Involucra a investigadores más allá de las fronteras de la ciencia, Ingenieria, Ciencias de la Computación, física, química, Matemáticas, óptica, en todas partes. La pregunta clave es '¿Cómo pueden todos hablar el mismo idioma, y ¿cómo pueden beneficiarse del progreso realizado en otras áreas? '"