Aconsegueixen una nova forma d’entrellaçament amb tres fotons

Investigadors de l’Acadèmia Austríaca de Ciències, de la Universitat de Viena i de la UAB han aconseguit per primer cop entrellaçar tres fotons en una nova forma asimètrica d’entrellaçament. La recerca, amb aplicacions en criptografia quàntica, s'ha publicat a Nature Photonics i constitueix un nou rècord en dimensions d’entrellaçament.

01/03/2016

Investigadors de l’Institut d’Òptica Quàntica i Informació Quàntica (IQOQI) de l’Acadèmia Austríaca de Ciències, de la Universitat de Viena i del Departament de Física de la UAB han aconseguit una nova fita per a la física quàntica: han estat capaços d’entrellaçar tres partícules de llum utilitzant una propietat quàntica de moltes dimensions relacionada amb el recargolament (twist) de l’estructura dels seus fronts d’ona. De la mateixa manera que el famós gat d’Schrödinger està simultàniament viu i mort, totes les demostracions experimentals realitzades fins ara d’entrellaçament de diverses partícules han estat duts a terme amb objectes quàntics en dues dimensions, dos nivells discrets possibles. Els fotons recargolats utilitzats a l’experiment de Viena no ténen aquest límit de dues dimensions i poden existir en tres o més estats quàntics alhora. L’estat d’entrellaçament entre tres fotons creat pel grup de Viena trenca el rècord previ de dimensionalitat, i dóna llum a una nova forma d’entrellaçament asimètric que no ha estat mai observat fins ara. Els resultats d’aquests experiments s'han publicat aquesta setmana a Nature Photonics.

Patinadors sobre gel entrellaçats

L’entrellaçament és una propietat antiintuitiva de la física quàntica que sempre ha desconcertat els científics i els filòsofs. Els quants de llum entrellaçats semblen exercir una influència entre ells, tant se val la distància a la que es trobin. De manera metafòrica es pot considerar un patinador de gel amb l’asombrosa habilitat de girar sobre sí mateix tant en el sentit de les agulles del rellotge com en el sentit contrari, al mateix temps. Un parell de patinadors entrellaçats allunyant-se entre ells mentre fan aquest sorprenent gir tindríen les direccions de gir perfectament correlacionades: si en un instant el primer gira en un sentit, també ho fa l’altre, tot i que estiguin tant lluny que acabin a pistes a continents diferents. “Els fotons entrellaçats del nostre experiment es poden ilustrar no amb dos, sinó amb tres patinadors, dançant una coreografia quàntica pefectament sincronitzada”, explica Mehul Malik, el primer autor de l’article. “La seva dança és una mica més complexa, amb dos dels patinadors mostrant, a més, un altre moviment correlacionat, a més del gir esmentat. De fet, som els primers que hem aconseguit aquest tipus d’entrellaçament quàntic asimètric al laboratori”, continua Malik.

De la recerca bàsica a les aplicacions: Criptografia Quàntica per Capes

Els investigadors han creat l’estat d’entrellaçament entre tres fotons utilitzant un altre artifici quàntic: han combinat dos parells de fotons amb entrellaçament d’alta dimensió de tal manera que era impossible saber d’on procedia cadascún dels fotons. A part de servir com a camp de proves per estudiar molts conceptes fonamentals de la mecància quàntica, els estats d’entrellaçament de diversos fotons alhora, com aquest, tenen aplicacions que van des de la computació quàntica fins a l’encriptació quàntica. En aquesta línia, els autors de la recerca proposen un nou tipus de protocol de criptografia quàntica, basat en aquest estat d’entrellaçament asimètric, que permet que diferents capes d’informació es comparteixin de manera asimètrica entre diversos emissors i destinataris amb total seguretat. Els científics consideren que, malgrat que encara caldrà solventar molts entrebancs tècnics abans que aquest protocol es pugui utilizar a la pràctica, el ràpid progrés de la tecnologia quàntica fa que sigui només questió de temps que aquesta tecnologia trobi el seu lloc a les xarxes quàntiques del futur. “L'experiment obre les portes a un futur internet quàntic, amb més de dos interlocutorsm que permetria una comunicació de més de dos bits per fotó", afegeix Zeilinger.

A la recerca hi ha participat Mehul Malik, Manuel Erhard, Mario Krenn, Robert Fickler, Anton Zeilinger, de l’Institut d’Òptica Quàntica i Informació Quàntica de l’Acadèmia Austríaca de Ciència (IQOQI) i l’investigador del Grup d’Informació i de Fenòmens Quàntics del Departament de Física de la UAB Marcus Huber, físic teòric que ha inventat les tècniques necessàries per analitzar l’experiement. La recerca ha estat finançada per la Comissió Europea, el Consell Europeu de Recerca (ERC) i la Austrian Science Fund (FWF).

Article científic:

Multi-Photon Entanglement in High Dimensions Mehul Malik, Manuel Erhard, Marcus Huber, Mario Krenn, Robert Fickler, Anton Zeilinger. Nature Photonics, http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2016.12.