La coherencia cuántica es un ingrediente clave de muchas pruebas y aplicaciones fundamentales en la tecnología cuántica, incluida la comunicación cuántica, imagen informática, detección y metrología. Sin embargo, la transferencia de coherencia cuántica en el espacio libre se ha limitado hasta ahora a canales de línea de visión directa, ya que la turbulencia atmosférica y la dispersión degradan gravemente la calidad de la coherencia.

En un nuevo artículo publicado en Luz:ciencia y aplicaciones , Investigadores de la Universidad de Waterloo han demostrado con éxito la transferencia y recuperación de la coherencia cuántica utilizando fotones dispersos en el espacio libre por primera vez. Esto permite nuevas oportunidades de investigación y aplicaciones en campos que van desde la comunicación cuántica hasta la creación de imágenes y más.

"La capacidad de transferir coherencia cuántica a través de fotones dispersos significa que ahora puede hacer muchas cosas que antes requerían canales de espacio libre con línea de visión directa". "dijo Shihan Sajeed, autor principal del artículo y becario postdoctoral en el Instituto de Computación Cuántica (IQC) y en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Waterloo en Ontario, Canadá.

Normalmente, si intenta enviar y recibir fotones a través del aire (espacio libre) para la comunicación cuántica, o cualquier otro protocolo de codificación cuántica, necesita una línea de visión directa entre el transmisor y el receptor. Cualquier objeto en el camino óptico, tan grande como una pared o tan pequeño como una molécula, reflejará algunos fotones y dispersará otros. dependiendo de la reflectividad de la superficie. Cualquier información cuántica codificada en los fotones generalmente se pierde en los fotones dispersos, interrumpiendo el canal cuántico.

Junto con Thomas Jennewein, investigador principal del laboratorio de Fotónica Cuántica en IQC, Sajeed encontró una manera de codificar la coherencia cuántica en pares de pulsos de fotones enviados uno tras otro, para que mantuvieran su coherencia incluso después de dispersarse desde una superficie difusa.

Los investigadores emitieron un tren de pares de pulsos con una coherencia de fase específica que podría medirse a partir de los fotones dispersos mediante interferencia cuántica. También utilizaron un sensor de matriz de detector de fotón único que, además de resolver las distorsiones del frente de onda causadas por la turbulencia atmosférica, actuó como creador de imágenes, lo que les permite observar la interferencia de un solo fotón y la formación de imágenes simultáneamente. Colocaron el detector donde solo absorbería los fotones dispersos de los pulsos láser, y observó una visibilidad de más del 90%, lo que significa que los fotones dispersos mantuvieron su coherencia cuántica incluso después de estrellarse contra un objeto.

Su nueva técnica requería hardware personalizado para hacer uso de la luz coherente que estaban generando. La matriz de detectores de fotones individuales podría detectar mil millones de fotones por segundo, con una precisión de 100 picosegundos. Solo la electrónica de vanguardia de etiquetado de tiempo podría manejar las demandas de este flujo de luz, y el equipo tuvo que diseñar su propia placa adaptadora electrónica para comunicarse entre los detectores y la computadora que procesaría los datos.

"Nuestra técnica puede ayudar a obtener imágenes de un objeto con señales cuánticas o transmitir un mensaje cuántico en un entorno ruidoso, ", dice Sajeed." Los fotones dispersos que regresan a nuestro sensor tendrán una cierta coherencia, mientras que el ruido en el medio ambiente no lo hará, y así podemos rechazar todo excepto los fotones que enviamos originalmente ".

Sajeed espera que sus hallazgos estimulen nuevas investigaciones y nuevas aplicaciones en la detección cuántica, comunicación, e imágenes en entornos de espacio libre. El dúo demostró comunicación e imágenes cuánticas en su artículo, pero Sajeed dijo que se requiere más investigación para descubrir cómo sus técnicas podrían usarse en diversas aplicaciones prácticas.

"Creemos que esto podría usarse en LIDAR (detección de luz y rango) mejorado cuánticamente, detección cuántica, imágenes sin línea de visión, y muchas otras áreas:las posibilidades son infinitas, "dijo Sajeed.