Nuevo protocolo transmite información cuántica en estados complejos de luz – Física Mundial

La información cuántica podría transmitirse de manera más eficiente gracias a un nuevo protocolo que utiliza óptica no lineal para transferir estados de luz espacialmente complejos y de alta dimensión. Desarrollado por investigadores de Sudáfrica, España y Alemania, el protocolo es similar a la teletransportación cuántica y se basa en codificar información en los estados de momento angular orbital de los fotones.

Los protocolos de comunicación cuántica como BB84 funcionan permitiendo que dos partes (generalmente conocidas como Alice y Bob) intercambien información cifrada a través de un enlace inseguro. Para ello, deben compartir un recurso de estados entrelazados. Estos estados no se pueden medir sin destruirlos, por lo que un tercero que no comparta el entrelazamiento no puede descifrar la información.

Sin embargo, para que esta configuración funcione, los estados entrelazados primero deben generarse y distribuirse de forma segura a Alice y Bob. Para una seguridad perfecta, esta distribución debería ocurrir compartiendo partículas individuales entrelazadas. El protocolo BB84 original proponía hacer esto codificando el entrelazamiento en los estados de polarización de los fotones, pero eso solo permite que cada partícula transmita un único bit de entrelazamiento. Por ello, los investigadores han buscado opciones más eficientes.

Frentes de onda en espiral

Una posibilidad prometedora es utilizar una propiedad fotónica diferente, como el momento angular orbital. Esto surge de la rotación de frentes de onda como espirales fusilli. Cada frente de onda debe girar un número entero de veces por longitud de onda para garantizar que la función de onda no tome múltiples valores en el mismo punto del espacio, pero en teoría no tiene límites. A diferencia de la polarización (que viene dada por el número cuántico del momento angular del espín), proporciona un conjunto infinito de estados ortogonales cuantificados y una base de dimensión infinita en la que se puede estructurar el campo de un fotón.

En el nuevo trabajo, que se describe en Nature Communications, investigadores dirigidos por Andrew Forbes de la Universidad de Witwatersrand demuestran un protocolo que, en principio, podría permitir a Alice y Bob transmitir información espacial de alta dimensión entre ellos utilizando un solo fotón y óptica no lineal. El protocolo comienza cuando Bob bombea un cristal no lineal con un láser, lo que hace que (ocasionalmente) produzca un par de fotones entrelazados de baja frecuencia con momentos angulares orbitales opuestos a través de un mecanismo llamado conversión descendente paramétrica espontánea. Un fotón de cada par se envía a Alice, mientras que Bob retiene el otro.

Mientras tanto, Alice codifica la información espacial que desea transmitir en los momentos angulares orbitales de los fotones emitidos por su propio láser. Ella dirige estos fotones hacia un segundo cristal no lineal, que también recibe los fotones de Bob. Los fotones de Bob no transportan información, pero cuando entran en el cristal de Alice, una pequeña proporción de ellos sufre otro proceso óptico no lineal llamado generación de suma de frecuencia. Esto es efectivamente una conversión descendente paramétrica espontánea a la inversa, lo que permite que dos fotones produzcan ocasionalmente un solo fotón de mayor frecuencia si los fotones de Alice y Bob tienen momentos angulares iguales y opuestos. Cuando Alice informa que un fotón de alta frecuencia llega a su detector, Bob mide el momento angular de su fotón.

El enredo como recurso

En particular, este proceso no logra un "intercambio de entrelazamiento" del tipo requerido en un repetidor cuántico. Para eso, los fotones que entran en el primer cristal tendrían que enredarse con los fotones que salen del segundo, y el estado coherente que Alice envió a su cristal tendría que transferirse directamente al estado del fotón que queda con Bob. Esto requeriría una eficiencia mucho mayor en los procesos de conversión ascendente y descendente de la que es posible actualmente con la óptica no lineal utilizada aquí.

En cambio, los investigadores utilizan el hecho de que, si un fotón participa tanto en la conversión descendente como en la diferenciación de frecuencia suma, los fotones no transmitidos del proceso de conversión descendente paramétrica espontánea de Bob deben tener el mismo momento angular orbital que los fotones que Alice solía codificar información espacial. Por lo tanto, midiendo su propio fotón no transmitido, Bob puede descifrar la información, pero nadie que carezca de este fotón puede hacerlo. "Utilizamos el entrelazamiento como recurso", explica un miembro del equipo. Adán Vallés del Instituto de Ciencias Fotónicas y Ópticas de Barcelona.

Información confidencial

Los investigadores creen que su esquema, que demostraron en el laboratorio utilizando 15 momentos angulares diferentes para los fotones, podría producir un sistema de autenticación cuánticamente seguro para bancos y otras entidades. "Digamos que usted tiene información confidencial que desea enviar, podría ser una huella digital, un documento de identidad o lo que sea", dice Forbes. “Tienes este fotón que te envían y que hace que nuestro esquema funcione, superpones este fotón de Bob o del banco con la información que deseas enviar y obtienes un clic en tu detector. Y cuando haces esto y compartes esa información con el banco, el banco obtiene la información que deseas enviar”.

jonathan leach, un experto en óptica cuántica de la Universidad de Heriot-Watt, Reino Unido, que no participó en la investigación, lo describe como "un hermoso experimento y un trabajo muy significativo". Añade, sin embargo, que el documento del equipo, junto con un trabajo similar realizado por investigadores de la Universidad de Xiamen en China, generó cierta controversia por las afirmaciones iniciales de los investigadores de que habían teletransportado estados cuánticos de alta dimensión. "En esencia, el espíritu de la teletransportación cuántica y de cualquier tipo de teletransportación es que tienes algún estado que se transporta a una nueva ubicación y en ese proceso se destruye el original", dice Leach. Esto no es realmente cierto aquí, añade, porque Alice tiene que usar un láser para generar muchas copias del estado cuántico para que uno de ellos se someta a una diferenciación de frecuencia suma y sea detectado por Bob, por lo que el estado original todavía está presente en la casa de Alice. fin.

El entrelazamiento sin precedentes utiliza la polarización de fotones, la posición y el momento angular orbital

Físico Daniel Gauthier de la Universidad Estatal de Ohio en Estados Unidos se muestra menos entusiasta y sostiene que otros grupos han realizado trabajos similares utilizando métodos menos elaborados. También ve un inconveniente en el protocolo mismo: "En el lenguaje cuántico, esto es lo que se llama una medición proyectiva", dice; “Si el fotón se encuentra en el estado que estás buscando, verás un clic. Si no es así, no obtendrás información. Entonces, si tienen un espacio d dimensional, el beneficio real de lo que están haciendo se pierde por completo porque cada vez que hacen una medición solo hay una probabilidad de 1/d de que hayan elegido el modo correcto para realizarla”. Los investigadores aceptan esta crítica y están trabajando para remediarla.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/new-protocol-transmits-quantum-information-in-complex-states-of-light/