Físicos reportan en ‘Nature Communications’ que han demostrado intercambio de entrelazamiento y teleportación de ‘patrones’ de luz de momento angular orbital.

Según la investigación, liderada por la Wits University (Sudáfrica), este es un paso crucial hacia la realización de un repetidor cuántico para estados entrelazados de alta dimensión, y abre la puerta a la comunicación cuántica segura a gran escala de larga distancia.

La comunicación cuántica a largas distancias es fundamental para la seguridad de la información y se ha demostrado en el espacio libre y la fibra con estados bidimensionales, recientemente, a distancias superiores a 1.200 kilómetros entre satélites. Pero el uso de sólo dos estados reduce la capacidad de información de los fotones, por lo que el enlace es seguro, pero lento.

Para hacerlo seguro y rápido se requiere un alfabeto de mayor dimensión, por ejemplo, usando patrones de luz, de los cuales hay un número infinito. Uno de estos conjuntos de patrones es el momento angular orbital (OAM) de la luz.

El aumento de las tasas de bits se puede lograr mediante el uso de OAM como portador de la información. Sin embargo, tales estados de fotones se deterioran cuando se transmiten a largas distancias, por ejemplo, debido al acoplamiento de modo en fibra o las turbulencias en el espacio libre, requiriendo así una forma de amplificar la señal. Desafortunadamente, tal «amplificación» no está permitida en el mundo cuántico, pero es posible crear una analogía, llamada repetidor cuántico, similar a los repetidores de fibra óptica en redes ópticas clásicas.

Una parte integral de un repetidor cuántico es la capacidad de entrelazar dos fotones que nunca han interactuado – un proceso conocido como «intercambio de entrelazamiento». Esto se logra interfiriendo dos fotones de pares entrelazados independientes, resultando en que los dos fotones restantes queden entrelazados.

Esto permite el establecimiento de entrelazamiento entre dos puntos distantes sin necesidad de que un fotón recorra toda la distancia, reduciendo así los efectos de la descomposición y la pérdida. También significa que no es precio tener una línea de visión entre los dos lugares.

Un resultado de esto es que la información de un fotón se puede transferir al otro, un proceso llamado teleportación. Al igual que en la serie de ciencia ficción, Star Trek, donde la gente se «irradia» de un lugar a otro, la información se «teletransporta» de un lugar a otro. Si dos fotones están entrelazados y cambia un valor en uno de ellos, entonces otro también cambia automáticamente. Esto ocurre aunque los dos fotones no están nunca conectados y, de hecho, están en dos lugares completamente diferentes.

En este último trabajo, el equipo realizó la primera demostración experimental de intercambio de entrelazamiento y teletransporte para estados de luz de momento angular orbital (OAM). Ellos mostraron que las correlaciones cuánticas podrían establecerse entre los fotones previamente independientes, y que esto podría ser utilizado para enviar información a través de un enlace virtual. Es importante destacar que el esquema es escalable a dimensiones más altas, allanando el camino para la comunicación cuántica de larga distancia con alta capacidad de información.

Los actuales sistemas de comunicación son muy rápidos, pero no fundamentalmente seguros. Para hacerlos seguros, los investigadores usan las leyes de la Naturaleza para la codificación explotando las peculiares propiedades del mundo cuántico. Una de estas propiedades es el entrelazamiento. Cuando dos partículas están entrelazadas están conectadas en el sentido de que una medida en una cambia inmediatamente el estado de la otra sin importar cuán separadas estén. El entrelazamiento es uno de los recursos básicos necesarios para realizar una red cuántica.

Sin embargo, un enlace seguro de comunicación cuántica a larga distancia es muy desafiante: los enlaces cuánticos que usan patrones de luz languidecen a distancias cortas precisamente porque no hay manera de proteger el enlace contra el ruido sin detectar los fotones, pero una vez detectados su utilidad se destruye. Para superar esto se puede tener una estación de repetición a distancias intermedias – esto permite compartir la información a través de una distancia mucho más larga sin la necesidad de que la información fluya físicamente sobre ese enlace.

El ingrediente central es conseguir que los fotones independientes se entrelacen. Si bien esto se ha demostrado previamente con estados bidimensionales, en este trabajo el equipo mostró la primera demostración con OAM y en espacios de alta dimensión.

Fuente: Europa Press