Isaac Nape, un talento sudafricano emergente en el estudio de la óptica cuántica, es parte de un excelente equipo de físicos de Wits que dirigió un estudio internacional que reveló las estructuras ocultas de los estados cuánticos entrelazados. El estudio fue publicado en la reconocida revista científica, Comunicaciones de la naturaleza , el viernes, 27 de agosto de 2021.

Nape está cursando su doctorado. en la Universidad de Wits y se centra en aprovechar los patrones estructurados de luz para la codificación y decodificación de información de alta dimensión para su uso en la comunicación cuántica.

A principios de este año, obtuvo dos premios en la conferencia del Instituto Sudafricano de Física (SAIP) para sumarlos a su creciente colección de elogios en el campo de la óptica y la fotónica. Ganó el premio a la "Mejor presentación oral de doctorado en física aplicada, "y ganó conjuntamente el premio al" Mejor Ph.D. presentación oral en fotónica ".

En Mayo, también fue galardonado con la prestigiosa Beca de Educación en Óptica y Fotónica 2021 de la SPIE, la sociedad internacional de óptica y fotónica, por sus potenciales contribuciones al campo de la óptica, fotónica o campo relacionado.

Computación más rápida y segura

Ahora Nape y sus colegas de Wits, junto con colaboradores de Escocia y Taiwán ofrecen una nueva y rápida herramienta para la computación cuántica y la comunicación. "Los estados cuánticos que están entrelazados en muchas dimensiones son clave para nuestras tecnologías cuánticas emergentes, donde más dimensiones significan un mayor ancho de banda cuántico (más rápido) y una mejor resistencia al ruido (seguridad), crucial para una comunicación rápida y segura y para acelerar en la computación cuántica sin errores.

"Lo que hemos hecho aquí es inventar un nuevo enfoque para sondear estos estados cuánticos 'de alta dimensión', reduciendo el tiempo de medición de décadas a minutos, "Nape explica.

Nape trabajó con el distinguido profesor Andrew Forbes, investigador principal de este estudio y director del Laboratorio de Luz Estructurada en la Facultad de Física de Wits, así como la becaria postdoctoral Dra. Valeria Rodríguez-Fajardo, visitante investigador taiwanés Dr. Hasiao-Chih Huang, y el Dr. Jonathan Leach y el Dr. Feng Zhu de la Universidad Heriot-Watt en Escocia.

¿Eres cuántico o no?

En su artículo titulado "Midiendo la dimensionalidad y la pureza de los estados entrelazados de alta dimensión, "el equipo esbozó un nuevo enfoque para la medición cuántica, probándolo en un estado entrelazado cuántico de 100 dimensiones.

Con enfoques tradicionales, el tiempo de medición aumenta desfavorablemente con la dimensión, de modo que desentrañar un estado de 100 dimensiones mediante una tomografía de estado cuántico completo llevaría décadas. En lugar de, el equipo demostró que la información más destacada del sistema cuántico —el número de dimensiones entrelazadas y su nivel de pureza— podía deducirse en cuestión de minutos. El nuevo enfoque requiere solo proyecciones simples que podrían realizarse fácilmente en la mayoría de los laboratorios con herramientas convencionales. Usando la luz como ejemplo, el equipo utiliza un enfoque totalmente digital para realizar las mediciones.

El problema, explica Nape, es que si bien los estados de alta dimensión se hacen fácilmente, particularmente con partículas de luz entrelazadas (fotones), no son fáciles de medir; la caja de herramientas existente para medirlos y controlarlos está casi vacía.

Puedes pensar en un estado cuántico de alta dimensión como las caras de un dado. Un dado convencional tiene seis caras, numerados del uno al seis, para un alfabeto de seis dimensiones que se puede utilizar para la informática o para transferir información en la comunicación. Hacer 'dados de alta dimensión' significa crear dados con muchas más caras:100 dimensiones equivalen a 100 caras, un polígono bastante complicado.

"En nuestro mundo cotidiano, sería fácil contar las caras para saber qué tipo de recurso tenemos disponible, pero no es así en el mundo cuántico. En el mundo cuántico nunca se puede ver morir todo, por eso contar las caras es muy difícil. La forma en que solucionamos esto es haciendo una tomografía, como lo hacen en el mundo médico, construyendo una imagen de muchos, muchas rebanadas del objeto, "explica Nape.

Pero la información en los objetos cuánticos puede ser enorme, por lo que el tiempo para este proceso es prohibitivo. Un enfoque más rápido es una medición de Bell, una famosa prueba para saber si lo que tienes frente a ti está enredado, como preguntar "¿eres cuántico o no?" Pero si bien esto confirma las correlaciones cuánticas de los dados, no dice mucho sobre la cantidad de caras que tiene.

Descubrimiento de azar

"Nuestro trabajo evitó el problema mediante un descubrimiento fortuito, que hay un conjunto de medidas que no es una tomografía ni una medida de Bell, pero eso contiene información importante de ambos, "dice Nape." En lenguaje técnico, Combinamos estos dos enfoques de medición para hacer múltiples proyecciones que parecen una tomografía pero midiendo las visibilidades del resultado, como si fueran medidas de Bell. Esto reveló la información oculta que podría extraerse de la fuerza de las correlaciones cuánticas en muchas dimensiones ".

Primero y rapido

La combinación de velocidad del enfoque similar a Bell e información del enfoque similar a la tomografía significó que los parámetros cuánticos clave como la dimensionalidad y la pureza del estado cuántico podrían determinarse rápida y cuantitativamente. el primer enfoque para hacerlo.

"No estamos sugiriendo que nuestro enfoque reemplace otras técnicas, "dice Forbes." Más bien, lo vemos como una prueba rápida para revelar con qué está lidiando, y luego use esta información para tomar una decisión informada sobre qué hacer a continuación. Un caso de caballos para cursos ".

Por ejemplo, el equipo ve su enfoque como un cambio de juego en los enlaces de comunicación cuántica del mundo real, donde una medición rápida de cuán ruidoso se ha vuelto ese estado cuántico y lo que esto ha hecho a las dimensiones útiles es crucial.