Los científicos encuentran una manera de medir directamente los estados cuánticos, como el momento, de los fotones.
Crédito: MPQ, División de Dinámica Cuántica.
Las computadoras y las comunicaciones cuánticas prometen máquinas más potentes y códigos irrompibles. Pero para que funcionen, es necesario medir el estado cuántico de partículas como fotones o átomos. Los estados cuánticos son números que describen las características de las partículas, como el momento o la energía.
Pero medir los estados cuánticos es difícil y lleva mucho tiempo, porque el solo hecho de hacerlo los cambia y porque las matemáticas pueden ser complejas. Ahora, un equipo internacional dice que encontraron una forma más eficiente de hacerlo, lo que podría simplificar la construcción de tecnologías de mecánica cuántica.
En un estudio detallado en la edición del 20 de enero de la revista Nature Communications, los investigadores de la Universidad de Rochester y la Universidad de Glasgow tomaron una medición directa del estado cuántico de 27 dimensiones de un fotón. Estas dimensiones son matemáticas, no dimensiones en el espacio, y cada una es un número que almacena información. Para comprender un estado cuántico de 27 dimensiones, piense en una línea descrita en dos dimensiones. Una línea tendría una dirección en las coordenadas X e Y: 3 pulgadas a la izquierda y 4 pulgadas hacia arriba, por ejemplo. El estado cuántico tiene 27 de tales coordenadas.
Elegimos 27, como para hacer un punto sobre 26 letras en el alfabeto y arrojar una más", dijo Mehul Malik, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Viena. Eso significa que cada bit cuántico, o "qubit", podría almacenar una letra en lugar de un simple 1 o 0.
Al ver un fotón
El grupo, dirigido por Malik y Robert Boyd, profesor de óptica y física en la Universidad de Rochester, pudo ver directamente los estados de un fotón. Midieron el momento angular orbital del fotón, que es cuánto "giran" las partículas de luz a medida que viajan por el espacio.
Por lo general, encontrar el estado cuántico de un fotón requiere un proceso de dos pasos. Primero, los científicos tienen que medir algunas propiedades del fotón, como su polarización o momento. Las mediciones se realizan en muchas copias del estado cuántico de un fotón. Pero ese proceso a veces introduce errores. Para deshacerse de los errores, los científicos tienen que ver qué resultados obtuvieron que son estados "no permitidos": los que no siguen las leyes de la física. Pero la única forma de encontrarlos es buscar a través de todos los resultados y descartar los que son imposibles. Eso consume mucho tiempo y esfuerzo de computación. Este proceso se llama tomografía cuántica. [ Los 9 misterios sin resolver más grandes en física ]
Una onda de luz es una combinación de un campo eléctrico y un campo magnético , cada uno de los cuales oscila y forma una onda. Cada ola se mueve al mismo tiempo que la otra, y son perpendiculares entre sí. Un haz de luz se compone de muchas de estas ondas.
La luz puede tener lo que se llama impulso angular orbital. En una viga sin momento angular orbital, los picos de las olas, los eléctricos, por ejemplo, están alineados. Un avión que conecte estos picos será plano. Si el rayo tiene un momento angular orbital, un plano que conecte estos picos formará un patrón espiral, helicoidal, porque las ondas de luz se compensan ligeramente entre sí a medida que avanzas por el rayo. Para medir el estado de los fotones, los científicos deben "desentrañar" esta forma helicoidal de las ondas en el haz.
Midiendo el estado cuántico de un fotón
El equipo primero disparó un láser a través de un polímero transparente que refractaba la luz, "desentrañando" la hélice formada por las olas. La luz luego pasa a través de lentes especiales y en una rejilla que hace muchas copias de la viga. Después de pasar a través de la rejilla, la luz se extiende para formar una viga más ancha.
Después de que el haz se ensancha, golpea un dispositivo llamado modulador de luz espacial. El modulador realiza la primera medición. Luego, el rayo vuelve a reflejarse en la misma dirección desde la que proviene y pasa a través de un divisor de haz. En ese punto, parte del rayo se mueve hacia una rendija, lo que hace una segunda medición. [ Física retorcida: 7 experimentos de soplo de la mente ]
Una de las dos medidas se llama "débil" y la otra "fuerte". Al medir dos propiedades, el estado cuántico de los fotones se puede reconstruir sin los largos cálculos de corrección de errores que requiere la tomografía.
En las computadoras cuánticas , el estado cuántico de la partícula es lo que almacena el qubit. Por ejemplo, un qubit se puede almacenar en la polarización del fotón o en su momento orbital-angular, o en ambos. Los átomos también pueden almacenar qubits, en sus momentos o giros.
Las computadoras cuánticas actuales solo tienen algunos bits en ellas. Malik notó que el registro es de 14 qubits , usando iones. La mayoría de las veces, los iones o los fotones solo tendrán una cantidad de bits que puedan almacenar, ya que los estados serán bidimensionales. Los físicos usan sistemas bidimensionales porque eso es lo que pueden manipular: sería muy difícil manipular más de dos dimensiones, dijo.
La medición directa, a diferencia de la tomografía, debería facilitar la medición de los estados de las partículas (fotones, en este caso). Eso significaría que es más simple agregar más dimensiones, tres, cuatro o incluso, como en este experimento, 27 y almacenar más información.
Mark Hillery, profesor de física en Hunter College en Nueva York, era escéptico de que la medición directa sea necesariamente mejor que las técnicas actuales. "Existe una controversia sobre las mediciones débiles, en particular, si realmente son útiles o no", escribió Hillery en un correo electrónico a LiveScience. "Para mí, el problema principal aquí es si la técnica que están utilizando es mejor (más eficiente) que la tomografía de estado cuántico para reconstruir el estado cuántico, y en la conclusión, dicen que realmente no lo saben".
Jeff Savail, un candidato a investigador de maestría en la Universidad Simon Fraser de Canadá, trabajó en un problema similar de medición directa en el laboratorio de Boyd, y su trabajo fue citado en el estudio de Malik. En un correo electrónico, dijo que una de las implicaciones más emocionantes es el "problema de medición". Es decir, en los sistemas de mecánica cuántica, la cuestión de por qué algunas mediciones echan a perder los estados cuánticos mientras que otras no lo hacen es una cuestión filosófica más profunda que lo que se trata de las propias tecnologías cuánticas. "La técnica de medición directa nos brinda una manera de ver directamente en el corazón del estado cuántico con el que estamos lidiando", dijo. Eso no significa que no sea útil, ni mucho menos. "También puede haber aplicaciones en imágenes, ya que conocer la función de onda de la imagen, en lugar del cuadrado, puede ser bastante útil".
Malik estuvo de acuerdo en que se necesitan más experimentos, pero aún piensa que las ventajas podrían estar en las ofertas de medición directa de velocidad relativa. "La tomografía reduce los errores, pero los [cálculos] posteriores al procesamiento pueden demorar horas", dijo.
