Nueva forma de entrelazamiento cuántico con tres fotones ‘retorcidos’

Científicos del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austríaca de Ciencias, de la Universidad de Viena y de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han conseguido por primera vez entrelazar tres partículas de luz o fotones utilizando una propiedad cuántica relacionada con el retorcimiento (twist) de la estructura de sus frentes de onda.

De la misma manera que el famoso gato de Schrödinger está simultáneamente vivo y muerto, todas las demostraciones experimentales realizadas hasta ahora de entrelazamiento de varias partículas han sido llevadas a cabo con objetos cuánticos en dos dimensiones, dos niveles discretos posibles. Los fotones retorcidos utilizados en el experimento de Viena no tienen ese límite bidimensional y pueden existir en tres o más estados cuánticos vez.

Los fotones entrelazados del experimento son como tres patinadores danzando una coreografía cuántica pefectamente sincronizada

El estado de entrelazamiento entre tres fotones creado por el grupo de Viena bate el récord previo de dimensionalidad, y da luz a una nueva forma de entrelazamiento asimétrico que nunca ha sido observado hasta ahora. Los resultados aparecen esta semana publicados en Nature Photonics.

El entrelazamiento es una propiedad antiintuitiva de la física cuántica que siempre ha desconcertado a los científicos y los filósofos. Los cuantos de luz entrelazados parecen ejercer una influencia entre ellos, no importa la distancia a la que se encuentren. De manera metafórica puede considerarse un patinador de hielo con la asombrosa habilidad de girar sobre sí mismo tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario, al mismo tiempo.

Un par de patinadores entrelazados alejándose entre ellos mientras hacen este sorprendente giro tendrán las direcciones de giro perfectamente correlacionadas: si en un instante el primero gira en un sentido, también lo hace el otro, aunque estén tan lejos que terminen en pistas en continentes diferentes.

«Los fotones entrelazados de nuestro experimento se pueden ilustrar no con dos, sino con tres patinadores, danzando una coreografía cuántica pefectamente sincronizada», explica Mehul Malik, el primer autor del artículo. «Su danza es un poco más compleja, con dos de los patinadores mostrando, además, otro movimiento correlacionado, además del giro mencionado. De hecho, somos los primeros que hemos conseguido este tipo de entrelazamiento cuántico asimétrico en el laboratorio», continúa Malik.

Criptografía Cuántica por Capas

Los investigadores han creado el estado de entrelazamiento entre tres fotones utilizando otro artificio cuántico: han combinado dos pares de fotones con entrelazamiento de alta dimensión de tal manera que era imposible saber de dónde procedía cada uno de los fotones. Aparte de servir como campo de pruebas para estudiar muchos conceptos fundamentales de la mecància cuántica, los estados de entrelazamiento de varios fotones vez, como este, tienen aplicaciones que van desde la computación cuántica hasta la encriptación cuántica.

Los autores proponen un protocolo de criptografía cuántica basado en este estado de entrelazamiento asimétrico

En esta línea, los autores de la investigación proponen un nuevo tipo de protocolo de criptografía cuántica, basado en este estado de entrelazamiento asimétrico, que permite que diferentes capas de información se compartan de forma asimétrica entre varios emisores y destinatarios con total seguridad.

Los científicos consideran que, aunque todavía habrá que solventar muchos obstáculos técnicos antes de que este protocolo se pueda utilizar en la práctica, el rápido progreso de la tecnología cuántica hace que sea sólo cuestión de tiempo que esta tecnología encuentre su lugar en las redes cuánticas del futuro. «El experimento abre las puertas a un futuro Internet cuántico, con más de dos interlocutores, que permitiría una comunicación de más de dos bits por fotón», añade Zeilinger.

En la investigación ha participado Mehul Malik, Manuel Erhard, Mario Krenn, Robert Fickler, Anton Zeilinger, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austríaca de Ciencia (IQOQI) y el investigador del Grupo de información y de Fenómenos Cuánticos del Departamento de Física de la UAB Marcus Huber, físico teórico que ha inventado las técnicas necesarias para analizar el experiemento. La investigación ha sido financiada por la Comisión Europea, el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y la Austrian Science Fund (FWF).