Vizualización de dos fotones entrelazados muestra un ‘yin yang’ cuántico

Publicado: 25 ago 2023 09:39 GMT

El experimento de la vizualización en tiempo real fue posible gracias a una cámara avanzada que registra eventos con una resolución de nanosegundos en cada píxel.

Investigadores de la Universidad de Ottawa (Canadá), en colaboración con la Universidad Sapienza de Roma (Italia), demostraron una técnica novedosa que permite visualizar en tiempo real la función de onda de dos fotones entrelazados, revelando una imagen similar a un ‘yin yang’. La nueva técnica se basa el empleo de cámaras avanzadas y permite reconstruir el estado cuántico completo de partículas entrelazadas, mediante un enfoque rápido y eficiente.

La analogía de elegir un «par de zapatos«

Los científicos utilizan la analogía de seleccionar un par de zapatos al azar para explicar el concepto de entrelazamiento cuántico. Así, desde el momento en que se identifica un zapato, la naturaleza del otro (ya sea el izquierdo o el derecho) se discierne instantáneamente, independientemente de su ubicación en el universo. Sin embargo, el factor intrigante es la incertidumbre asociada con el proceso de identificación hasta el momento exacto de la observación.

La función de onda, un principio central de la mecánica cuántica, proporciona una comprensión integral del estado cuántico de una partícula. Esta permite predecir los resultados probables de diversas mediciones en una entidad cuántica, como posición, velocidad, etc. En el ejemplo del zapato, la «función de onda» del objeto podría transportar información como izquierda o derecha, la talla, el color, etc. Los investigadores señalan que esta capacidad predictiva es invaluable, especialmente en el campo de rápida progresión de la tecnología cuántica.

La analogía de «las sombras en diferentes paredes«

Conocer la función de onda de un sistema cuántico de este tipo es una tarea desafiante y se denomina tomografía cuántica. Experimentos anteriores realizados con un enfoque proyectivo (método estándar) demostraron que caracterizar o medir el estado cuántico de alta dimensión de dos fotones entrelazados es una tarea muy compleja que puede llevar horas o incluso días.

Este enfoque de medición proyectiva de la tomografía cuántica tiene analogía con observar las sombras de un objeto multidimensional proyectado en diferentes paredes desde direcciones independientes. Todo lo que se puede ver son las sombras y, a partir de ellas, se puede inferir la forma (estado) del objeto completo. Por ejemplo, en la tomografía computarizada la información de un objeto 3D se puede reconstruir a partir de un conjunto de imágenes 2D.

Un enfoque holográfico

Sin embargo, en la óptica clásica existe otra forma de reconstruir un objeto 3D llamada holografía digital. El equipo dirigido por Ebrahim Karimi, de la Universidad de Ottawa, amplió este concepto al caso de dos fotones. Para reconstruir este estado bifotónico lo superpusieron con un estado cuántico bien conocido y luego analizaron la distribución espacial de las posiciones a las que llegaban los dos fotones simultáneamente. La imagen de la llegada simultánea se conoce como imagen de coincidencia y el patrón de interferencia resultante pudo usarse para reconstruir la función de onda desconocida.

Este experimento fue posible gracias a una cámara avanzada que registra eventos con una resolución de nanosegundos en cada píxel. Alessio D’Errico, científico de la Universidad de Ottawa, destacó las ventajas del innovador enfoque: «Este método es exponencialmente más rápido que las técnicas anteriores y solo requiere minutos o segundos en lugar de días».

El experto también destacó que el tiempo de detección «no se ve influenciado por la complejidad del sistema, una solución al desafío de escalabilidad de larga data en la tomografía proyectiva«. El estudio se publicó la semana pasada en Nature Photonics.