Obtienen experimentalmente el entrelazamiento de seis ondas luminosas con un solo láser

Este récord registrado por científicos brasileños puede ayudar a viabilizar la computación cuántica. Artículos publicados en las revistas Physical Review Letters y Physical Review A destacan el logro

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961), uno de los gigantes de la ciencia contemporánea, consideraba que el “entrelazamiento” era la propiedad más interesante de la mecánica cuántica, aquélla que realmente diferenciaba al mundo cuántico del mundo clásico. 

El entrelazamiento sucede cuando grupos de partículas u ondas se generan o interactúan de modo tal que el estado cuántico de cada partícula u onda no puede describirse independientemente pues depende del conjunto, por más alejadas que las partículas u ondas se encuentren unas en relación con las otras.

En un experimento realizado en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IFUSP), en Brasil, se obtuvo el entrelazamiento de seis ondas luminosas generadas por una fuente sencilla de luz láser conocida como oscilador paramétrico óptico.

Y artículos al respecto salieron publicados en Physical Review Letters: Hexapartite entanglement in an above-threshold optical parametric oscillator, y en Physical Review A: Exploring six modes of an optical parametric oscillator. Dichos artículos aparecieron a su vez como titulares de noticias en los sitios web de ambas publicaciones. 

“Nuestra plataforma permite la generación de un entrelazamiento masivo de muchos modos ópticos, con frecuencias distintas pero claramente definidas, como si conectaran los nodos de una gran red. Los estados cuánticos que así se producen pueden controlarse mediante un solo parámetro: la potencia del láser externo que bombea el sistema”, declaró Marcelo Martinelli, uno de los coordinadores del experimento, a Agência FAPESP. 

Martinelli es docente del IFUSP e investigador principal del Proyecto Temático intitulado “Exploración de la información cuántica con átomos, cristales y chips”, financiado por la FAPESP, en cuyo marco tuvo lugar el experimento. 

“El entrelazamiento es una propiedad que comprende correlaciones cuánticas entre sistemas distintos. Estas correlaciones constituyen un triunfo que puede dotar de superioridad a las computadoras cuánticas con respecto a los ordenadores electrónicos tradicionales para la realización de tareas tales como simulaciones o la factorización de números primos, una operación fundamental para la seguridad de datos en el mundo moderno. Por eso la generación de sistemas con múltiples componentes entrelazados constituye un importante reto para la implementación de las ideas de la teoría cuántica de la información”, dijo el científico.

Más velocidad de procesamiento

En trabajos anteriores, el equipo del IFUSP había obtenido el entrelazamiento de dos y de tres maneras con el oscilador paramétrico óptico. El trabajo que se concretó ahora duplica el espacio disponible para la codificación de la información. 

La comprensión de esta idea se vuelve más fácil mediante una analogía. El bit clásico es un sistema de dos estados, pero puede asumir tan sólo un estado por vez, correspondiente al número cero (0) o al número un (1). Ésta es la base de la lógica binaria. En tanto, el bit cuántico –el cúbit– puede asumir también una superposición de ambos estados. Y esto permite codificar más información en el cúbit que en el bit clásico. 

El entrelazamiento permite correlacionar varios cúbits en forma no local. La no localización es una característica intrínseca de la naturaleza y es una de las grandes diferencias existentes entre la física cuántica y la física clásica, que admite únicamente correlaciones locales.

Martinelli explicó de qué manera este principio general se plasma en el experimento en cuestión. “La energía total del proceso es suministrada por un láser. El haz de luz producido por ese láser, que incide sobre un cristal, genera otros dos campos que mantienen las características del láser: luz intensa, monocromática y con frecuencias bien definidas. De este modo, el sistema pasa a estar constituido por tres campos intensos. Cada campo intenso acopla un par de campos extremadamente tenues, de modo tal que los seis campos quedan acoplados con el campo principal. Y exhiben correlaciones más fuertes que las que se lograrían mediante el empleo de láseres independientes”, dijo.

La máquina que genera los estados entrelazados –el oscilador paramétrico óptico– está formada por un pequeño cristal situado entre dos espejos. Ese cristal tiene un centímetro de longitud y la distancia entre los espejos no llega a los 5 centímetros. Sin embargo, como el enfriamiento es una condición necesaria en el proceso, el conjunto queda dispuesto dentro de una caja de aluminio en cuyo interior se induce vacío para evitar la condensación y el congelamiento del sistema.

La información que puede codificarse mediante una sola onda se encuentra limitada por el principio de incertidumbre. En este caso, las variables amplitud y fase de la onda se comportarían con las análogas de las variables posición y velocidad de partícula, consideradas por Werner Heisenberg (1901-1976) en la formulación del principio. 

“Con el entrelazamiento, una parte de la información de cada onda particular se pierde, pero la información global del sistema se preserva en forma compartida. Debido a ese reparto, cuando observamos una sola onda, se nos informa al mismo tiempo sobre las otras cinco. Cada haz va a un detector. Y esa distribución de la información en unidades independientes permite ganar en velocidad de procesamiento”, dijo Martinelli.

Las seis ondas forman un conjunto. Al obtenerse información de una de éstas se obtiene información referente al sistema en general. Y al alterarse una de ellas se altera el sistema como un todo.

Puede leerse el artículo intitulado Exploring six modes of an optical parametric oscillator (doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.023823), de Luis F. Muñoz-Martínez, Felippe Alexandre Silva Barbosa, Antônio Sales Coelho, Luis Ortiz-Gutiérrez, Marcelo Martinelli, Paulo Nussenzveig y Alessandro S. Villar, en el siguiente enlace: journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.98.023823. 

Y también puede leerse el artículo intitulado Hexapartite entanglement in an above-threshold optical parametric oscillator (doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.073601), de F. A. S. Barbosa, A. S. Coelho, L. F. Muñoz-Martínez, L. Ortiz-Gutiérrez, A. S. Villar, P. Nussenzveig y M. Martinelli, en: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.073601#fulltext. 

Ayudas y becas de la FAPESP asociadas a este estudio:

“Exploración de la información cuántica con átomos, cristales y chips” – Ayuda a la Investigación – Proyecto Temático.

“Información cuántica con variables continuas de átomos y luz” – Ayuda a la Investigación – Proyecto Temático.

“Teletransporte de información cuántica entre campos de distintos colores” – Beca Posdoctoral.

“Propiedades cuánticas de estados macroscópicos de la luz” – Beca Posdoctoral. 

“Entrelazamiento multicolor para redes de información cuántica” – Beca Posdoctoral.

"Interfaz para intercambio de información cuántica entre átomos y luz" – Beca Posdoctoral.