Eduardo CesarHaces de láser entrelazados: un conjunto de espejos que forman una especie de caja de resonancia permite medir las oscilaciones tenues de los fotonesEduardo Cesar
Un equipo de físicos brasileños demostró que el empleo de una técnica alternativa destinada a recuperar la información almacenada en las partículas de luz –los denominados fotones– permite duplicar la capacidad de transmisión de datos en sistemas cuánticos. Es una mejora que podrá ser útil para acelerar el desarrollo de la computación impulsada con bits cuánticos. Las características y el potencial de este método, denominado medida asistida por cavidad, aparecen descritos en dos artículos publicados simultáneamente el 14 de noviembre en sendas versiones online de dos de revistas científicas: Physical Review Letters y Physical Review A.
“Esta técnica permite rescatar una parte de la información que antes se perdía en el sistema”, dice Marcelo Martinelli, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), miembro del grupo a cargo de los referidos trabajos, elaborados en el ámbito del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de la Información Cuántica (INCT-IQ), centro que opera mediante un convenio entre la FAPESP y el CNPq. También firma los artículos el físico francés Claude Fabre, de la Universidad Pierre y Marie Curie – París 6, quien colabora con los brasileños en un proyecto mantenido por la Fundación y el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS).
Este mejor desempeño del método alternativo –que no es nuevo, pero que fue perfeccionado por Martinelli y sus colegas– es el resultado de una mayor capacidad para sortear una especie de ruido de comunicación que limita la decodificación de toda la información almacenada en procesos tales como la criptografía cuántica y el teletransporte cuántico. Fotones que se encuentran en estados cuánticos similares, pero que presentan patrones de oscilación ligeramente distintos en su espectro de frecuencia, no se diferencian cuando se emplea la técnica conocida como detección homodina, usualmente empleada en la actualidad para “leer” los datos en este tipo de sistemas. La adopción de la medida asistida por cavidad –que hace que un haz de luz pase por un conjunto de espejos formando una “caja de resonancia” antes de su detección– permite medir las más tenues fluctuaciones cuánticas presentes en los fotones. De esta forma, resulta posible diferenciar partículas de luz casi idénticas, las cuales, mediante el empleo del método de detección homodina, quedan registradas como si tuviesen las mismas características. “Con la técnica anterior éramos intrínsecamente incapaces de reconstituir toda la información almacenada”, comenta Paulo Nussensveig, también del IF-USP, otro de los autores de los artículos.
Los científicos establecen un paralelo entre el efecto producido en el nivel cuántico mediante el empleo de la medida asistida por cavidad y la repercusión causada en el sector de audio debido a la adopción de aparatos capaces de reproducir el sonido estéreo. Una estación de FM, por ejemplo, transmite músicas registradas en dos canales de sonido independientes y simultáneos, que operan en frecuencias sumamente cercanas, pero ligeramente distintas. De este modo, cada canal puede propagar al mismo tempo informaciones diferentes. En una música instrumental, el bajo y la batería pueden quedar registrados en el canal derecho, en tanto que el piano y la guitarra eléctrica quedan grabados en el izquierdo.
Sucede algo similar en un haz de láser con fotones entrelazados, en ocasiones también denominados enmarañados, para referirse a un tipo de correlación cuántica que puede explotarse para almacenar, procesar y transmitir información. En experimentos llevados a cabo en la USP, los físicos generaron un sistema con tres haces entrelazados de distintos colores; por ende, con diferentes longitudes de onda. Por cierto, los brasileños fueron los primeros que lograron producir y en parte controlar un sistema enmarañado con tales características (lea en Pesquisa FAPESP nº 164, edición de octubre de 2009). La frecuencia de cada haz era de alrededor de 300 terahertz, 1 millón de veces mayor que la de una transmisión de radio FM. En rigor, la información cuántica no se almacena ni se transmite por ese canal principal de luz, sino a través de dos pequeños campos o canales de 20 megahertz situados ligeramente arriba y abajo de la frecuencia central.
En vez de mono, estéreo
Al igual que en el caso del sistema estereofónico de radio, cada canal secundario es capaz de cargar información específica. “Con la técnica de detección homodina no se registran esos canales de modo independiente”, dice Alessandro Villar, de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), otro autor de los estudios. “Lo que se registra es un promedio de los datos presentes en ambos campos. Sabíamos que eso no era lo ideal, pero no había otra alternativa”. Para seguir con la comparación radiofónica, es como si alguien usase un reproductor de sonidos que funcionase en un canal, en el modo mono, para escuchar una transmisión en estéreo. ¿Así, en mono, es posible entender la emisión? Sí, pero algunos detalles se pierden.
Es eso más o menos lo que sucede cuando se rescata la información cuántica en un sistema mediante la técnica tradicional de detección homodina, de acuerdo con los científicos. Es decir, mientras que en el experimento realizado por los brasileños con tres haces de láser, con el método convencional se registraban tan sólo tres canales de información cuántica en el sistema, mediante el empleo de la técnica de medida asistida por cavidad se captaban seis: un par de campos de datos por cada haz.
Proyectos
1. Quantum information processing with continuous variables (2010/ 52282-1); Modalidad Cooperación FAPESP-CNRS; Coord. Marcelo Martinelli – USP y Claude Fabre, de la Universidad Pierre y Marie Curie – París 6; Inversión R$ 34.859,16 (FAPESP) y R$ 35.000 (CNRS);
2. Teletransporte de información cuántica entre distintos colores (2009/ 52157-5); Modalidad Ayuda Regular al Proyecto de Investigación; Coord. Marcelo Martinelli – USP; Inversión R$ 171.938,32 y US$ 43.800,00 (FAPESP).
Artículos científicos
BARBOSA, F.A.S. et al. Beyond spectral homodyne detection: complete quantum measurement of spectral modes of light. Physical Review Letters. 14 nov. 2013.
BARBOSA, F.A.S. et al. Quantum state reconstruction of spectral field modes: Homodyne and resonator detection schemes. Physical Review A. 14 nov. 2013.
