La manipulación de fotones abre una nueva era en comunicaciones cuánticas y detección avanzada

Un equipo internacional de físicos, liderado por la Universidad de Witwatersrand (Sudáfrica) en colaboración con la Universitat Autònoma de Barcelona, ha logrado un avance significativo en la manipulación de fotones, abriendo nuevas posibilidades para la comunicación cuántica, la detección y la obtención de imágenes a nivel microscópico y macroscópico. Este trabajo, publicado recientemente en una prestigiosa revista científica, pone de relieve el papel crucial que desempeña la estructura de los fotones en el desarrollo de tecnologías cuánticas y en la mejora de la transmisión de información.

**La revolución de los fotones estructurados**

En términos simples, los fotones son las partículas elementales de la luz. Tradicionalmente, en las aplicaciones tecnológicas, se trataba a los fotones como entidades indivisibles y homogéneas. Sin embargo, los investigadores han conseguido modular las propiedades espaciales, temporales y espectrales de los fotones, creando así lo que se conoce como “fotones estructurados”. Esta capacidad de controlar la estructura de un fotón en el espacio y el tiempo permite crear estados cuánticos personalizados, adaptados a necesidades específicas en áreas como la comunicación segura, la sensorización ultrasensible o la imagen de alta resolución.

El equipo ha demostrado que es posible modificar deliberadamente la forma en que un fotón se distribuye en el espacio (por ejemplo, cambiando su perfil de haz), en el tiempo (alterando su duración y sincronización) y en el espectro de frecuencias (ajustando sus colores). Al combinar estas variables, pueden generarse nuevos estados cuánticos con características previamente inalcanzables.

**Implicaciones para las comunicaciones cuánticas**

El desarrollo de fotones estructurados tiene profundas implicaciones para las tecnologías de comunicación cuántica. En la actualidad, la criptografía cuántica se basa en el uso de pares de fotones entrelazados, que permiten la transmisión de información de forma absolutamente segura: cualquier intento de interceptar la comunicación altera el estado cuántico, haciendo evidente la intrusión.

Controlando la estructura de los fotones, los científicos pueden aumentar el número de variables en las que codificar información, incrementando exponencialmente la capacidad de transmisión y la seguridad. Este avance podría ser fundamental para el desarrollo de redes de comunicación cuántica globales, un objetivo que persiguen tanto agencias públicas como privadas. NASA y la Agencia Espacial Europea, por ejemplo, han mostrado gran interés en las comunicaciones cuánticas para la transmisión de datos entre sondas espaciales y la Tierra, debido a su inmunidad frente a la interferencia y la interceptación.

**Avances en sensorización e imagen**

Más allá de la comunicación, la manipulación de fotones abre nuevas fronteras en la detección remota y la obtención de imágenes. Las técnicas de imagen basadas en estados cuánticos estructurados permiten visualizar detalles más allá de los límites clásicos impuestos por la óptica tradicional. Esto puede tener aplicaciones en astronomía, biomedicina y análisis de materiales.

Por ejemplo, en la exploración de exoplanetas, la sensibilidad mejorada proporcionada por fotones estructurados podría ayudar a detectar atmósferas planetarias o señales de vida con mayor precisión. NASA y otras agencias espaciales han invertido fuertemente en el desarrollo de instrumentación óptica avanzada para telescopios espaciales, como el James Webb o el futuro Nancy Grace Roman Space Telescope, con el fin de captar señales extremadamente débiles procedentes de mundos lejanos.

**La carrera internacional por la tecnología cuántica**

Este descubrimiento se suma a la intensa carrera internacional por dominar las tecnologías cuánticas, donde empresas privadas como SpaceX, Blue Origin o Virgin Galactic también están interesadas en las aplicaciones de la óptica cuántica para la comunicación segura entre vehículos espaciales, así como para la navegación y el control de misiones automáticas. En España, la empresa PLD Space y diversas instituciones públicas han comenzado a explorar las aplicaciones de la fotónica cuántica en sistemas de guiado y control para cohetes reutilizables, con el objetivo de mejorar la precisión y la seguridad de los lanzamientos.

Mientras tanto, en el ámbito académico, el trabajo conjunto entre la Universidad de Witwatersrand y la Universitat Autònoma de Barcelona pone de relieve la importancia de la colaboración internacional en la investigación fundamental. Según los autores, los próximos pasos consistirán en integrar estos estados de fotones estructurados en sistemas experimentales reales, desde laboratorios de comunicación cuántica hasta telescopios y sensores de última generación.

**Un futuro moldeado por la luz personalizada**

La manipulación precisa de la estructura de los fotones representa un salto cualitativo en la tecnología cuántica, con aplicaciones que van desde la seguridad de las comunicaciones hasta la exploración espacial y la medicina. A medida que la comunidad científica y la industria continúan avanzando, es probable que en los próximos años veamos una integración cada vez mayor de la óptica cuántica estructurada en los sistemas tecnológicos de vanguardia, tanto en la Tierra como en el espacio.

Este avance marca un nuevo capítulo en la historia de la física y la ingeniería, consolidando el papel de la luz como herramienta fundamental del siglo XXI. (Fuente: SpaceDaily)