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Física

Los secretos de la luz

Un experimento muestra que la información cuántica transmitida por fotones resiste a los efectos de la turbulencia del aire

 La noche estrellada de Vincent van Gogh

Reproducción La noche estrellada de Vincent van GoghReproducción

El interés de Osvaldo Farías en el influjo de la turbulencia del aire sobre la propagación de la luz lo llevó a visitar hace algunos años una exposición en Nueva York con el cuadro La noche estrellada, de Vincent van Gogh (1853-1890). El físico del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), con sede en Río de Janeiro, quería ver de cerca el famoso lienzo, objeto de estudios realizados por colegas físicos que analizaron sus formas geométricas y llegaron a la conclusión de que los vórtices pincelados por el pintor holandés poseen un orden matemático similar al de las corrientes turbulentas de aire, del agua y de los fluidos en general. Ese paralelismo entre arte y ciencia puede evocarse para explicar un trabajo reciente del investigador.

De la misma manera que es posible reconocer la luz distorsionada de las estrellas en el firmamento retratado por Van Gogh, Farías y un equipo internacional de físicos demostraron que si se codifican cuánticamente de la manera correcta, las informaciones transportadas por un haz de luz a través de la atmósfera turbulenta de la Tierra pueden recuperarse. El resultado de este estudio, publicado en febrero de este año en la revista Scientific Reports, abre el camino hacia el desarrollo de tecnologías de transmisión de mensajes confidenciales teóricamente a prueba de espionaje, mediante el empleo de fuentes de láser apostadas en tierra o a bordo de barcos, aeronaves y satélites. “Nuestro experimento fue una prueba de principio”, explica Farías. “Generamos y transmitimos los estados de luz necesarios como para implementar un protocolo de criptografía cuántica”. Actualmente existen sistemas comerciales de criptografía cuántica, pero se valen de redes de fibra óptica y no de la atmósfera para transmitir datos.

Se considera que la criptografía cuántica es más segura que la tradicional. Resulta casi imposible leer o copiar una clave criptográfica transmitida a través de las propiedades cuánticas de las partículas que constituyen la luz, los fotones. A diferencia de la criptografía clásica, la criptografía cuántica le permite al receptor de la clave, que posteriormente se utilizará para decodificar un mensaje secreto, descubrir cualquier intento de interceptación. Pese a la inviolabilidad teórica, esta estrategia no se mostró totalmente a prueba de espionaje. En los últimos años, investigadores lograron violar sistemas comerciales que se valen de criptografía cuántica.

La información que se transmitirá en esos mensajes puede escribirse en un código binario similar al de las computadoras utilizando una propiedad cuántica de los fotones llamada polarización. Dicha propiedad puede ser visualizada como una flecha que apunta en un determinado sentido: hacia arriba, por ejemplo, o hacia abajo. De este modo, un fotón con su flecha hacia arriba podría representar a un bit de información del tipo 0, mientras que un fotón con su flecha hacia abajo representaría a un bit tipo 1. Las leyes de la mecánica cuántica permiten a su vez que un fotón exhiba una superposición de estados. En el contexto de la criptografía, ese fenómeno, que diferencia al mundo clásico del mundo cuántico, haría imposible que un espía determinase qué estado se envió.

Sin embargo, existe un problema a la hora utilizar la polarización de los fotones de esa manera. Tanto el emisor como el receptor del mensaje deben coincidir exactamente con las definiciones de “hacia arriba” y “hacia abajo”. “Imagínese un escenario de guerra en que alguien en tierra necesita enviar un mensaje secreto a un buque en el mar”, sugiere el físico Stephen Walborn, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), colaborador de Farías. “El balanceo del buque hacia la izquierda y hacia la derecha generará errores en la recepción del mensaje.”

058-059_Luz Torcida_236Para evitar ese problema, Walborn y el físico Leandro Aolita, también de la UFRJ, propusieron en 2007 una nueva manera de codificar la información cuántica. Se dieron cuenta de que podrían preparar dos estados distintos de fotones para representar los bits 0 y 1, cuya apariencia no cambia cuando el receptor del mensaje gira o se balancea con relación al emisor. Un 0 sería codificado por un fotón cuya fase espacial recorre una trayectoria en espiral girando en sentido horario, en tanto que su polarización gira en la misma proporción en sentido antihorario. El 1 sería codificado por un fotón con giro de la fase y de la polarización en sentidos contrarios al 0. “Esos estados no sufren cambios cuando hay rotaciones”, explica Walborn.

La idea siguió siendo una posibilidad teórica hasta 2011, cuando Aolita y Walborn conocieron al físico Fabio Sciarrino, de la Sapienza Universidad de Roma, Italia. El grupo de Sciarrino está realizando experimentos con fotones de distintos tipos de fases giratorias. Esos fotones son preparados de esa manera cuando un haz de láser atraviesa un filtro especial llamado q-plate, desarrollado por el físico Lorenzo Marrucci, de la Universidad de Nápoles Federico II, también en Italia. Los investigadores decidieron colaborar en un experimento en el que se utilizarían filtros q-plate tanto para generar los fotones propuestos por Walborn y Aolita como para detectarlos.

Farías colaboró con el experimento desarrollando un modo de simular en laboratorio el efecto que tendría la turbulencia del aire sobre el haz de fotones transmitiendo la información cuántica. “La turbulencia ocasionada por fluctuaciones de temperatura y de la densidad del aire actúa como una lente que distorsiona el haz de luz de manera aleatoria, como los espejismos sobre el asfalto caliente”, explica Farías. “Construí una máquina que mezcla ‒por medio de ventiladores‒ el aire calentado por resistencias eléctricas con el aire frío del laboratorio. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre el aire caliente y el frío, mayor es el grado de turbulencia. Así, la máquina simula el efecto de la propagación de la luz por algunos kilómetros de aire.”

Con este experimento, los investigadores probaron que el esquema de Walborn y Aolita funciona. Verificaron que, aunque la turbulencia distorsione el haz de láser, el filtro q-plate receptor logra captar fotones que preservaron su información cuántica. “Demostramos que la información detectada es confiable”, dice Farías.

“La posibilidad de transmitir información cuántica codificada en estados que no dependan del alineamiento relativo entre el transmisor y el receptor es interesante para aplicaciones que comprendan estaciones móviles”, comenta Carlos Monken, experto en óptica cuántica y turbulencia de la Universidad Federal de Minas Gerais.

Artículo científico
FARÍAS, O. J. et al. Resilience of hybrid optical angular momentum qubits to turbulence. Scientific Reports. feb. 2015.

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