El enredo de fotones revivido podría mejorar la comunicación y las imágenes cuánticas   

Investigadores en la India han demostrado que el enredo de fotones en una determinada base variable continua se reactiva a medida que los fotones se propagan lejos de su fuente. El descubrimiento podría resultar útil para transmitir de forma segura información cuántica a largas distancias y para obtener imágenes cuánticas en medios turbulentos.

Los físicos están explorando ampliamente el entrelazamiento cuántico entre fotones, a menudo con el objetivo de desarrollar nuevas tecnologías cuánticas para computación, comunicación, detección e imágenes. Algunas aplicaciones potenciales requieren el envío de fotones entrelazados a largas distancias oa través de entornos turbulentos sin pérdidas. Sin embargo, actualmente es muy complicado preservar ciertos tipos de entrelazamiento en estas circunstancias, y el éxito puede depender de muchos factores, incluida la forma en que se codifica la información cuántica en los fotones.

Ahora anand jaja y colegas en el Laboratorio de Óptica Cuántica y Entrelazamiento en el Instituto Indio de Tecnología de Kanpur han proporcionado una posible solución mediante el uso de las posiciones angulares de los fotones para codificar información. Observaron que el entrelazamiento parece desaparecer a medida que los fotones se propagan, pero luego reaparece extrañamente. También demostraron que la reactivación del entrelazamiento ocurre incluso después de que los fotones viajen a través del aire turbulento, lo que normalmente destruiría el entrelazamiento. Describen su investigación en Science Advances.

entrelazamiento de fotones

Los fotones tienen muchos grados de libertad diferentes que pueden usarse para codificar información cuántica. La elección depende del tipo de información que debe codificarse. Para los qubits, se pueden usar propiedades discretas como la polarización o el momento angular orbital de un fotón. Pero a veces, especialmente para fines de detección e imagen, es mejor codificar la información cuántica de una manera más continua. En tales aplicaciones, la propiedad entrelazada más explorada, o "base", es la posición de un fotón dada por sus coordenadas cartesianas.

El fenómeno del entrelazamiento cuántico imparte a las partículas una relación más estrecha de lo que permite la física clásica y es independiente de qué base particular se utilice para codificar la información cuántica. Sin embargo, la forma en que se usa o mide el entrelazamiento en un experimento puede no ser independiente de la base. Esto se aplica a un "testigo" de entrelazamiento, que es una cantidad matemática que determina si un sistema está entrelazado. Los testigos dependen de la base para las bases continuas y esta dependencia significa que algunos tipos de entrelazamiento continuo pueden ser más útiles que otros.

Para la base de posición-momento, el entrelazamiento, visto a través del testigo, se extingue muy rápidamente a medida que los fotones se propagan alejándose de su fuente. Para evitar esto, los científicos suelen obtener imágenes de la fuente misma para usar el entrelazamiento entre fotones. Cualquier turbulencia en el camino también destruye rápidamente el enredo, lo que requiere soluciones complejas como la óptica adaptativa para revivirlo. Estos pasos correctivos adicionales limitan la utilidad de estos fotones entrelazados.

Esta última investigación de Jha y sus colegas explora cómo se puede preservar el entrelazamiento utilizando una base alternativa estrechamente relacionada: la posición angular de un fotón.

Generando, perdiendo y reviviendo el enredo

En su experimento, los investigadores generaron fotones entrelazados enviando luz desde un láser de "bomba" de alta potencia a un cristal no lineal. En condiciones en las que se conservan las energías y los momentos de los fotones, un fotón de bombeo producirá dos fotones entrelazados en un proceso llamado conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC). Los dos fotones están entrelazados en todas sus propiedades. Si se detecta un fotón en un lugar, por ejemplo, la posición del otro fotón entrelazado se determina automáticamente. La correlación también existe para otras cantidades, como el momento, la posición angular y el momento angular orbital.

Como se ve a través del testigo sin ninguna medida correctiva, los investigadores observaron que el entrelazamiento de posición entre los fotones desaparece después de unos 4 cm de propagación. Por otro lado, sucede algo interesante para el entrelazamiento de posición angular. Desaparece después de unos 5 cm de propagación, pero después de que los fotones hayan viajado otros 20 cm, el entrelazamiento vuelve a aparecer (ver figura). Los investigadores corroboraron cualitativamente sus resultados experimentales con un modelo numérico.

El método de destilación fortalece el entrelazamiento cuántico en un solo par de fotones

Se observó la misma tendencia cuando el equipo creó un entorno turbulento en el camino de los fotones entrelazados. Esto se hizo usando un calentador de soplado para agitar el aire y cambiar su índice de refracción. En este caso, el enredo revivió después de que la luz se propagó una distancia mayor de unos 45 cm.

Todavía no se sabe completamente qué causa que reaparezca el enredo en la base de la posición angular. La base es especial porque se envuelve después de un círculo completo. Ese es uno de sus factores distintivos, según Jha.

Aunque el estudio demuestra solidez en distancias de menos de un metro, Jha y sus colegas afirman que la reactivación también es posible en distancias de kilómetros. Esto podría hacer posible la transmisión de información cuántica a través de la turbulencia atmosférica sin destruir el entrelazamiento. La robustez a través de la turbulencia también podría permitir la obtención de imágenes cuánticas de objetos en entornos bioquímicos borrosos con invasión o destrucción mínimas.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/revived-photon-entanglement-could-enhance-quantum-communication-and-imaging/