Descubren una nueva dimensión en la óptica cuántica: más de 17.000 firmas topológicas en fotones entrelazados
Un equipo internacional de investigadores, liderado por la Universidad de Witwatersrand en Sudáfrica en colaboración con la Universidad de Huzhou en China, ha revelado una asombrosa complejidad oculta en una de las herramientas más utilizadas de la óptica cuántica: la fuente estándar de fotones entrelazados. Este avance abre la puerta a una revolución en la transmisión y el procesamiento de información cuántica, con implicaciones directas para el futuro de las comunicaciones seguras, la computación cuántica y la exploración espacial.
Hasta ahora, las fuentes de fotones entrelazados, esenciales en experimentos de óptica cuántica, se consideraban relativamente simples en cuanto a su estructura interna. Sin embargo, el estudio publicado por este equipo demuestra que estas fuentes albergan una riqueza topológica en dimensiones mucho mayores de lo que se creía posible. Los científicos lograron demostrar el entrelazamiento cuántico en 48 dimensiones distintas, identificando más de 17.000 firmas topológicas únicas en el proceso.
El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más misteriosos y prometedores de la física moderna. Consiste en que dos partículas, como los fotones, comparten un estado cuántico de tal manera que el estado de una afecta instantáneamente al de la otra, sin importar la distancia que las separe. Este fenómeno, que Einstein denominó “acción fantasmal a distancia”, es la base de tecnologías emergentes como la criptografía cuántica y la computación cuántica, que prometen niveles de seguridad y potencia de cálculo imposibles para los sistemas clásicos.
El avance logrado por los equipos de Witwatersrand y Huzhou radica en la identificación de una vasta “alfabeto” topológico, es decir, un repertorio de configuraciones geométricas posibles dentro del espacio cuántico de los fotones entrelazados. Cada una de estas firmas topológicas puede considerarse un canal independiente para codificar información. Así, en principio, es posible transmitir mucho más información por cada par de fotones entrelazados, multiplicando de manera exponencial la capacidad de las futuras redes de comunicación cuántica.
La clave de este descubrimiento reside en el análisis de los llamados modos orbitales del momento angular de la luz. Estos modos describen la forma en que la onda luminosa gira y se retuerce en el espacio, generando estructuras complejas que pueden ser aprovechadas para codificar información. Gracias a técnicas experimentales avanzadas y a un modelado matemático de vanguardia, los investigadores pudieron mapear y clasificar las diferentes estructuras presentes en los fotones generados por la fuente estándar utilizada en laboratorios de óptica cuántica de todo el mundo.
En el contexto de las misiones espaciales, donde la transmisión de información es un desafío fundamental, este avance podría revolucionar las futuras comunicaciones entre la Tierra y naves o estaciones situadas a distancias cada vez mayores. Grandes actores del sector, como la NASA, la Agencia Espacial Europea (ESA) y compañías privadas como SpaceX y Blue Origin, han mostrado un interés creciente en la comunicación cuántica por su inmunidad a las interceptaciones y su potencial para enviar grandes volúmenes de datos de manera segura.
Por otra parte, este descubrimiento tiene el potencial de influir en la exploración de exoplanetas, donde la transmisión de datos desde sondas o telescopios ubicados a años luz de distancia podría beneficiarse de este aumento exponencial en el ancho de banda cuántico. Además, empresas como PLD Space en España y Virgin Galactic, que apuestan por el desarrollo de tecnologías espaciales avanzadas, podrían incorporar en el futuro sistemas de comunicación cuántica basados en estas nuevas estructuras topológicas, aumentando así la seguridad y la eficiencia de sus misiones.
Históricamente, la física cuántica ha estado plagada de conceptos abstractos y difíciles de visualizar. Sin embargo, avances como este acercan la teoría a aplicaciones prácticas, permitiendo imaginar un futuro donde la información viaje de forma instantánea y completamente protegida a través de vastas distancias espaciales. El descubrimiento de que miles de canales independientes pueden coexistir en fuentes estándar de entrelazamiento supone un salto conceptual y técnico sin precedentes.
El estudio también abre nuevas vías de investigación en la física fundamental, ya que el entrelazamiento en dimensiones tan elevadas podría aportar pistas sobre la estructura profunda del espacio-tiempo y los límites de la mecánica cuántica. A medida que la carrera espacial y la tecnología cuántica avanzan de la mano, descubrimientos como este perfilan un futuro en el que las fronteras de la información y del conocimiento se expanden mucho más allá de lo imaginable hace apenas unas décadas.
En definitiva, la identificación de más de 17.000 firmas topológicas en el entrelazamiento de fotones no solo amplía el horizonte teórico de la óptica cuántica, sino que marca un hito con potencial para transformar las comunicaciones, la exploración espacial y la propia comprensión de la realidad física.
(Fuente: SpaceDaily)
