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| Reconstrucción holográfica del estado bifotónico. Reconstrucción de la imagen. a, Imagen de coincidencia de la interferencia entre un estado SPDC de referencia y un estado obtenido por un haz de bombeo con la forma de un símbolo Ying y Yang (mostrado en el recuadro). La escala del recuadro es la misma que en el gráfico principal. b, Estructura de amplitud y fase reconstruida de la imagen impresa en la bomba desconocida. Crédito: Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3 |
En un nuevo estudio, científicos de la Universidad de Ottawa, en colaboración con Danilo Zia y Fabio Sciarrino, de la Universidad Sapienza de Roma, han introducido la holografía digital bifotónica. La tecnología demuestra un método rápido y eficaz para reconstruir el estado cuántico completo de partículas entrelazadas.
Con esta técnica, los científicos visualizaron la función de onda de dos fotones entrelazados en tiempo real.
La función de onda, un concepto fundamental de la física cuántica, comprende en profundidad el estado cuántico de una partícula. Permite a los científicos cuánticos predecir los resultados probables de diversas mediciones sobre una entidad cuántica, por ejemplo, posición, velocidad, etc.
Esta capacidad de predicción es inestimable en el campo de la tecnología cuántica, en rápido desarrollo, donde conocer un estado cuántico formado o introducido en un ordenador cuántico nos permitirá probar el propio ordenador. Además, los estados cuánticos utilizados en la informática cuántica son muy complicados y comprenden numerosas entidades que podrían mostrar potentes correlaciones no locales (entrelazamiento).
Determinar la función de onda de un sistema cuántico de este tipo es una tarea ardua. También se conoce como tomografía de estados cuánticos o tomografía cuántica.
Una tomografía completa requiere muchas mediciones con técnicas estándar (basadas en las llamadas operaciones proyectivas), y este número aumenta rápidamente a medida que el sistema se complica (dimensional). Los estudios anteriores del equipo del estudio utilizando este método demostraron que se podían tardar horas o incluso días en caracterizar o medir el estado cuántico de alta dimensión de dos fotones entrelazados. La calidad del resultado también es muy sensible al ruido y depende de la complejidad del montaje experimental.
El enfoque de medición proyectiva de la tomografía cuántica puede compararse con contemplar las sombras de un objeto de alta dimensión proyectadas desde varios ángulos sobre varias paredes. Lo único que puede ver un investigador son las sombras, y a partir de ellas puede deducir la forma (estado) de todo el objeto. Por ejemplo, un TAC puede reconstruir la información de un objeto tridimensional a partir de una colección de imágenes bidimensionales.
Otra forma de construir un objeto tridimensional se llama holografía digital. Se basa en el registro de una sola imagen, llamada interferograma, obtenida al interferir la luz dispersada por el objeto con luz de referencia.
Los científicos ampliaron este concepto al caso de dos fotones. Es necesario superponer un estado bifotónico con un estado cuántico supuestamente conocido para reconstruirlo. Después hay que examinar la distribución espacial de los lugares a los que llegan simultáneamente dos fotones. Una imagen de coincidencia es una imagen tomada cuando dos fotones llegan simultáneamente.
Estos fotones pueden proceder de la fuente conocida o de la fuente de referencia. Según la mecánica cuántica, es imposible precisar el origen de los fotones. Esto genera un patrón de interferencia que puede utilizarse para reconstruir la función de onda desconocida. Este experimento fue posible gracias a una sofisticada cámara que registra los eventos con una resolución de nanosegundos (una milmillonésima de segundo) en cada píxel.
El Dr. Alessio D'Errico, becario postdoctoral de la Universidad de Ottawa y uno de los coautores del artículo, destacó las inmensas ventajas de este innovador método: "Este método es exponencialmente más rápido que las técnicas anteriores, ya que sólo requiere minutos o segundos en lugar de días. Y lo que es más importante, el tiempo de detección no se ve influido por la complejidad del sistema: una solución al viejo reto de la escalabilidad en la tomografía proyectiva".
Fuentes, créditos y referencias:
Universidad de Ottawa - Zia, D., Dehghan, N., D’Errico, A. et al. Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states. Nat. Photon. (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3