Generación y control de sistemas cuánticos de luz



Ciencias físicas

Una de las tantas actividades de divulgación científica que organiza el CICESE y que tiene un impacto positivo en la comunidad es, sin duda alguna, el Congreso Regional de Óptica (CReO). Organizado enteramente por los estudiantes del posgrado en Óptica de este centro, el CreO llevó a cabo su novena edición este año de manera virtual debido a las circunstancias generadas por la actual pandemia.

En este congreso se brinda un espacio para que estudiantes de licenciatura, maestría y doctorado compartan ideas y generen vínculos profesionales con investigadores y miembros del sector industrial. Se imparten charlas de las diversas actividades de investigación en tópicos de óptica que se desarrollan en la región para que los estudiantes expandan su horizonte en cuanto a los campos de investigación y estén al tanto de lo más reciente en esta área.

A su vez, busca motivar a los estudiantes para que sigan desarrollándose profesionalmente estudiando algún posgrado y consideren la posibilidad de dedicarse a la investigación en esta área de la ciencia. Para esto, el CICESE abre las puertas del Departamento de Óptica a los estudiantes para que conozcan a los científicos y los proyectos que están desarrollando, como es el caso de la Dra. Karina Garay Palmett, quien nos platicó un poco acerca de su trabajo.

El equipo de la Dra. Karina incursiona en el desarrollo de los llamados sistemas fotónicos o tecnologías fotónicas, que comprenden una área de investigación científica con mucho auge en los últimos años. Para poder entender las motivaciones e implicaciones de esta investigación es necesario tener claros algunos conceptos y ponernos en contexto.

Recordemos que hace poco más de un siglo (principios del siglo XX) se estaban desarrollando las bases de lo que hoy conocemos como mecánica cuántica, la cual es una teoría fundamental en la física que trata de describir el comportamiento de la naturaleza a escalas muy pequeñas (del tamaño de los átomos). Debido a la gran conmoción que causó, las implicaciones científicas y sociales que tuvo, y la manera en que cambió la forma en que vemos el mundo, se dice que los inicios del siglo XX corresponden a la 1ra revolución cuántica.

Hoy en día nos encontramos en la era de las tecnologías cuánticas en computación, simulación, metrología, comunicaciones, entre otras, las cuales son resultado de los conocimientos que la mecánica cuántica ha brindado. Gracias a todo esto vivimos en un mundo conectado a través de la información, por lo que podemos decir que estamos atravesando por la 2da revolución cuántica.

Muchos países están interviniendo para impulsar este tipo de tecnologías, por lo que existen iniciativas para el desarrollo de computadoras cuánticas o sistemas de comunicación cuánticos. De estos últimos existen dos de principal interés, los llamados sistemas atómicos y los sistemas fotónicos, pues para la implementación en la tecnología es necesario hablar de la combinación (o híbrido) de los dos sistemas así como de la materialización de estos; es decir, traer a la realidad estos dispositivos.

Como ya se mencionó, el CICESE se está encargando del estudio de los sistemas fotónicos, pero ¿qué es un fotón? Albert Einstein teorizó lo que hoy conocemos como ‘fotón’ y es el nombre que se le dio a la partícula que compone la luz. Por lo tanto, la fotónica es el área de la ciencia que comprende la manipulación, transporte, detección y aplicación de los fotones. Esta es un área multidisciplinaria en la que el CICESE trabaja actualmente, y que involucra física, ingeniería electrónica y ciencia de los materiales.

Las tecnologías fotónicas han demostrado que son eficientes, confiables y rápidas por lo que existe una demanda en la fabricación de estos sistemas y de su miniaturización, es decir, de fabricarlos en tamaños muy pequeños. Esto condujo al desarrollo de la fotónica integrada, que es un equivalente a la electrónica: en la electrónica se tiene un sistema de componentes interconectados, es decir, un circuito en donde se manipulan los electrones. En los llamados circuitos fotónicos el elemento constructor son guías de onda, que son estructuras físicas que permiten guiar o dirigir ondas electromagnéticas como la luz. En otras palabras, los circuitos fotónicos pueden procesar y transmitir luz, pero para ello también es necesario generarla, por lo que las fuentes de luz también son un tema de interés en el CICESE.

La Dra. Karina y su equipo utilizan fuentes de luz no clásicas, cuyas propiedades solo pueden ser descritas por la mecánica cuántica. Este tema constituyó su tesis doctoral. Actualmente sigue trabajando en determinar las condiciones adecuadas para la implementación de estas fuentes en el procesamiento de información cuántica y en la generación de parejas de fotones para luego, a partir de éstos, generar fotones individuales, ya que se sabe que los fotones pueden ser usados para codificar información, lo que puede tener muchas aplicaciones en las tecnologías de la comunicación.

Es posible generar parejas de fotones al hacer interactuar la luz con un material no-lineal. En óptica, estos son materiales cuya respuesta ante un campo eléctrico es no-lineal, y esto a su vez significa que la relación entre un cierto estímulo de entrada (por ejemplo, un campo eléctrico entrando al material) y un cierto estímulo de salida (la respuesta del material en, por ejemplo, la densidad de polarización) no puede ser descrita como una suma de ambos estímulos por separado. En otras palabras, no se cumple lo que se conoce como el principio de superposición.

Estos pares de fotones poseen una propiedad bastante interesante, y en ella se basan todos los protocolos de información cuántica: el entrelazamiento cuántico, que sucede cuando dos partículas comparten información de manera tal que, si se alteran las propiedades de una partícula, esta misma alteración se manifiesta inmediatamente en la otra partícula, sin importar que viajen en direcciones opuestas y a kilómetros de distancia. Esta propiedad es un resultado de la conservación de la energía y permite que al hacer una medición en uno de los fotones, por ejemplo de la frecuencia, se pueda saber exactamente la frecuencia del otro fotón sin necesidad de medirlo.

Aunque una de las técnicas más usadas para la generación de fotones es la Conversión Paramétrica Descendente (PDC), este grupo en el CICESE es experto en el Mezclado de Cuatro Ondas Espontáneo (SFWM), técnica que es más compatible con las tecnologías de comunicación existentes. Desde 2001 se ha implementado en fibras ópticas y ha demostrado tener una mejor eficiencia del proceso que la PDC, pues las parejas de fotones en estas fibras poseen mayor flujo emitido por unidad de tiempo.

En el CICESE se utiliza fibra óptica y guías de onda. Bombean la fibra hasta que dos fotones se aniquilan y generan una señal que puede ser detectada y que contendría la información de los pares de fotones correlacionados. Se utilizan fibras ópticas y guías de onda porque constituyen un sistema flexible en el cual es posible generar estados de dos fotones correlacionados de diferentes grados de libertad; es decir, de diferentes magnitudes o variables físicas. Esto se debe a que se pueden tener guías de distintos “modos”; el grupo de Karina Garay implementó el proceso en una guía de onda multimodal y una hecha de un material birrefringente, que es un material que responde de manera distinta ante un rayo de luz dependiendo de la dirección en la que incide.

Han obtenido diversos resultados en esta investigación. Uno de ellos demostró que se pueden generar estados en el sistema que podrían dar lugar a la generación de fotones individuales de carácter muy puro. Determinaron que se puede controlar el proceso SFWM metiendo la fibra o guía de onda en una cavidad óptica, que es un dispositivo que confina en una región del espacio ciertos rayos de luz. Utilizando solo fibras birrefringentes, también están en vías de demostrar que existen estados de pares de fotones con entrelazamiento híbrido en frecuencia y polarización; esto último no es otra cosa más que la orientación de la onda.

Como vimos, en el CICESE se encuentran trabajando en la preparación del estado de un fotón individual para los fotones entrelazados. Pero eso no es todo. Otro objetivo es la preparación de los llamados cúbits (qubits, del inglés quantum bits), que son la unidad mínima de información cuántica; pueden ser cero, uno o ambos, lo cual es una superposición coherente entre los dos posibles estados de un sistema cuántico y ofrecerían a las computadores o sistemas cuánticos, una capacidad de procesamiento mucho mayor que las computadoras clásicas, cuya unidad mínima (el bit) solo puede ser uno o cero. Además, otro de los últimos proyectos de este grupo de investigación se enfoca en el desarrollo de compuertas cuánticas asistidas por óptica no-lineal, que consisten en recursos computacionales que permiten generar cambios en los estados de uno o mas cúbits.

Una de las últimas conclusiones fue que los medios o materiales de naturaleza guiada con una no-linealidad de tercer orden (esto implica mayor complejidad en las ecuaciones y los cálculos)  constituyen un sistema óptimo y flexible para la generación y control de estados de pares de fotones y estados de fotones individuales.

Gracias a los esfuerzos realizados por el grupo de investigación de la doctora Karina Garay se podrían determinar de manera certera y precisa todas las condiciones necesarias para reproducir esta clase de experimentos en diversos laboratorios alrededor del mundo de manera eficiente y así establecer el camino definitivo que nos llevará a la era de la computación cuántica, la cual sin duda será la tercera gran revolución cuántica.

En el CICESE se trabaja diariamente en solucionar estos y otra clase problemas de interés mundial con un objetivo centrado siempre en el beneficio de la sociedad y en el progreso de la ciencia. Por lo anterior, cuando se logren todos los objetivos propuestos en éstas y las demás investigaciones relacionadas al tema y surja la era de la información cuántica, era que en definitiva no tarda en surgir y que cada día es más una realidad, nos esperan grandes descubrimientos científicos y avances tecnológicos inimaginables. Y para ello hay que mantenernos informados.

 

Palabras clave: Karina Garay, sistemas cuánticos, fotònica

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