Un solo fotón transporta 10 bits de información

Los fotones individuales son ideales para enviar información en forma digital, de modo que cada fotón codifica un 0 o un 1. En ese caso, es fácil imaginar que estos son todos los datos que puede contener un solo fotón. ¡No tan! En teoría, no hay límite para la cantidad de información que puede codificar un solo fotón.

Y eso plantea una pregunta interesante. ¿Cuánta información pueden los físicos empaquetar en un solo fotón en la práctica? ¿Qué permite la tecnología actual?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de Tristan Tentrup y sus amigos de la Universidad de Twente en los Países Bajos. Han empaquetado más de 10 bits en un solo fotón por primera vez.

Su método es sencillo, en teoría. El enfoque es asociar un solo fotón con un miembro único de un alfabeto. Cuando el alfabeto contiene muchos miembros, el fotón transporta mucha información.

No es difícil ver por qué. Cuando un alfabeto contiene solo dos miembros, como el código binario, cada miembro codifica un bit de información. Esta es la cantidad de información necesaria para describir cada símbolo en el alfabeto.

Pero cuando el alfabeto es más grande, se necesita más información para describir de manera única a cada miembro. Entonces cada miembro puede codificar esa cantidad de datos.

La cantidad real de información viene dada por el logaritmo en base 2 del número de miembros. Por ejemplo, en un alfabeto de 10 símbolos, como cada número decimal, cada símbolo codifica alrededor de 3,3 bits. En un alfabeto de 26 símbolos, como el alfabeto inglés, cada símbolo codifica 4,7 bits. Y así.

Tentrup y compañía logran su objetivo al crear un alfabeto con 9,072 símbolos. En ese caso, cada símbolo codifica más de 13 bits de información.

Crear este alfabeto es simple. Tentrup y compañía lo hacen definiendo una cuadrícula de píxeles de 112 x 81, es decir, 9072 de ellos. Cada píxel representa un símbolo diferente del alfabeto. Para codificar un fotón con uno de estos símbolos, todo lo que tienen que hacer es apuntar el fotón hacia esa parte de la cuadrícula. Entonces, cuando un píxel específico registra la llegada de un fotón, registra ese símbolo.

La parte complicada es hacer esto con precisión con fotones individuales. Una forma de dirigir los fotones es con un espejo basculante que simplemente los refleja en una dirección específica y controlable. Pero Tentrup y compañía usan un dispositivo más flexible llamado modulador de luz espacial que modifica el frente de onda de un fotón a medida que lo refleja. Esto utiliza efectos de difracción para dirigir el fotón hacia su objetivo.

La detección de fotones individuales también es una piel de plátano potencial, ya que cualquier luz perdida puede abrumar la señal. Tentrup y compañía tienen un truco útil para prevenir esto. En lugar de crear fotones individuales, los crean en pares y codifican solo uno de ellos con información utilizando este mecanismo de dirección. Miran al otro como un aviso de que el primero está a punto de llegar al píxel.

Esto les permite encender el píxel en el mismo instante en que llega el primer fotón. Y esto reduce drásticamente las posibilidades de que un fotón perdido inunde la señal. Sin embargo, el ruido sigue teniendo un impacto y los fotones acaban transportando algo menos de información que el máximo teórico.

No obstante, los resultados son impresionantes. Demostramos la codificación de alta dimensión de fotones individuales que alcanzan los 10,5 bits por fotón, dicen Tentrup y compañía. Eso mejora significativamente el récord anterior de solo siete bits por fotón e inmediatamente sugiere formas de codificar aún más al aumentar el tamaño de la cuadrícula.

El trabajo tiene aplicaciones inmediatas. Los físicos ya utilizan información codificada en fotones individuales para aplicaciones como la distribución de claves en criptografía cuántica.

Esta información está actualmente codificada en fotones individuales utilizando el código binario de 0 y 1. Pero la nueva técnica permite inmediatamente que cada fotón lleve un orden de magnitud más. Una dirección muy prometedora para este trabajo sería la implementación de una codificación de alfabeto espacial grande para la distribución de claves cuánticas, dice Tentrup y compañía.

Por lo tanto, es posible que no tengamos que esperar mucho para ver esta tecnología sin precedentes en acción.

Ref: http://arxiv.org/abs/1609.04200 : Transmisión de más de 10 bits con un solo fotón

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