Primera demostración de entrelazamiento cuántico de 10 fotones establece un nuevo récord

El entrelazamiento es el extraño fenómeno en el que las partículas cuánticas se vinculan tan profundamente que comparten la misma existencia. Una vez raras, las partículas entrelazadas se han convertido en una rutina en los laboratorios de todo el mundo.

Los físicos han aprendido a crear entrelazamientos, transferirlos de una partícula a otra e incluso destilarlos. De hecho, el entrelazamiento se ha convertido en un recurso en sí mismo y crucial para todo, desde criptografía y teletransportación hasta computación y simulación.

Pero sigue existiendo un problema importante. Para llevar a cabo experimentos cada vez más complejos y poderosos, los físicos necesitan producir entrelazamientos en escalas cada vez mayores entrelazando más partículas al mismo tiempo.

Sin embargo, los números actuales son insignificantes. Los fotones son los caballos de batalla cuánticos en la mayoría de los laboratorios y el récord de la cantidad de fotones entrelazados es solo ocho, producidos a una velocidad de aproximadamente nueve eventos por hora.

El uso de las mismas técnicas para crear una tasa de conteo de 10 fotones daría como resultado solo 170 por año, demasiado pocos incluso para medirlos fácilmente. Así que las perspectivas de mejora parecían remotas.

Es por eso que el trabajo de Xi-Lin Wang y sus amigos en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Heifu es impresionante. Hoy, anuncian que han producido un entrelazamiento de 10 fotones por primera vez, y lo han hecho a una velocidad de conteo que es tres órdenes de magnitud más alta que cualquier cosa posible hasta ahora.

El mayor cuello de botella en los fotones entrelazados es la forma en que se producen. Esto implica un proceso llamado conversión descendente paramétrica espontánea, en el que un fotón energético se convierte en dos fotones de menor energía dentro de un cristal de borato de beta-bario. Estos fotones hijos están naturalmente entrelazados.

Al golpear el cristal continuamente con un rayo láser, es posible crear una corriente de pares de fotones entrelazados. Sin embargo, la tasa de conversión descendente es pequeña, solo un fotón por billón. Por lo tanto, recolectar los pares enredados de manera eficiente es muy importante.

Esa no es una tarea fácil, sobre todo porque los fotones salen del cristal en direcciones ligeramente diferentes, ninguna de las cuales se puede predecir fácilmente. Los físicos recolectan los fotones de los dos puntos donde es más probable que aparezcan, pero la mayoría de los fotones entrelazados se pierden.

Xi-Lin y compañía han abordado este problema al reducir la incertidumbre en las direcciones de los fotones. De hecho, han podido moldear los haces de fotones entrelazados para que formen dos haces circulares separados, que pueden recogerse más fácilmente.

De esta forma, el equipo ha generado pares de fotones entrelazados a razón de unos 10 millones por vatio de potencia láser. Esto es más brillante que los generadores de entrelazamiento anteriores por un factor de aproximadamente cuatro. Es esta mejora la que hace posible el entrelazamiento de 10 fotones.

Su método consiste en recolectar cinco pares de fotones entrelazados generados sucesivamente y pasarlos a una red óptica de cuatro divisores de haz. Luego, el equipo introduce retrasos de tiempo que aseguran que los fotones lleguen a los divisores de haz simultáneamente y, por lo tanto, se enreden.

Esto crea el estado entrelazado de 10 fotones, aunque a una velocidad de aproximadamente cuatro por hora, que es baja pero finalmente medible por primera vez. Demostramos, por primera vez, un entrelazamiento genuino y destilable de 10 fotones individuales, dicen Xi-Lin y compañía.

Es un trabajo impresionante que abre de inmediato la perspectiva de una nueva generación de experimentos. La más emocionante de ellas es una técnica llamada muestreo de bosones que los físicos esperan que demuestre que las computadoras cuánticas realmente son capaces de hacer cosas que las computadoras clásicas no son.

Eso es importante porque nadie ha construido una computadora cuántica más poderosa que una calculadora de bolsillo (aparte de los controvertidos resultados de D-Wave). Tampoco es probable que lo hagan en un futuro próximo. Entonces, el muestreo de bosones es la mayor esperanza de los físicos cuánticos que les permitirá mostrar el poder alucinante de la computación cuántica por primera vez.

También se hacen posibles otras cosas, como la teletransportación cuántica de tres grados de libertad en un solo fotón y experimentos multifotónicos a distancias muy largas.

Pero es la posibilidad de muestrear bosones lo que estremecerá a la comunidad de física cuántica.

Ref: arxiv.org/abs/1605.08547 : Enredo experimental de diez fotones

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