27 Dimensiones! Físicos Ven Fotones Bajo Nueva Luz

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Los científicos han medido directamente los estados cuánticos, como el impulso, de los fotones, ayudando a abrir el camino para construir computadoras cuánticas.

Las computadoras y comunicaciones cuánticas prometen máquinas más poderosas y códigos irrompibles. Pero para hacer que funcionen, es necesario medir el estado cuántico de partículas como los fotones o los átomos. Los estados cuánticos son números que describen características de partículas como el impulso o la energía.

Pero medir los estados cuánticos es difícil y requiere mucho tiempo, porque el solo hecho de hacerlo los cambia, y porque las matemáticas pueden ser complejas. Ahora, un equipo internacional dice que encontraron una forma más eficiente de hacerlo, lo que podría simplificar la construcción de tecnologías cuántico-mecánicas.

En un estudio detallado en la edición del 20 de enero de la revista Nature Communications, investigadores de la Universidad de Rochester y la Universidad de Glasgow tomaron una medida directa del estado cuántico de 27 dimensiones del fotón. Estas dimensiones son matemáticas, no dimensiones en el espacio, y cada una es un número que almacena información. Para comprender un estado cuántico de 27 dimensiones, piense en una línea descrita en dos dimensiones. Una línea tendría una dirección en las coordenadas X e Y, por ejemplo, 3 pulgadas a la izquierda y 4 pulgadas hacia arriba. El estado cuántico tiene 27 coordenadas de este tipo. [Física cuántica: las pequeñas partículas más frescas de la naturaleza]

"Elegimos 27, para hacer un punto de aproximadamente 26 letras en el alfabeto y lanzar una más", dijo Mehul Malik, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Viena. Eso significa que cada bit cuántico, o "qubit", podría almacenar una letra en lugar de un simple 1 o un 0.

Viendo un foton

El grupo, dirigido por Malik y Robert Boyd, profesor de óptica y física en la Universidad de Rochester, pudo ver los estados de un fotón directamente. Midieron el momento angular orbital del fotón, que es la cantidad de "torsión" de las partículas de luz a medida que viajan a través del espacio.

Normalmente, encontrar el estado cuántico de un fotón requiere un proceso de dos pasos. Primero, los científicos tienen que medir alguna propiedad del fotón, como su polarización o momento. Las mediciones se realizan en muchas copias del estado cuántico de un fotón. Pero ese proceso a veces introduce errores. Para deshacerse de los errores, los científicos tienen que ver qué resultados obtuvieron que son estados "no permitidos", que no siguen las leyes de la física. Pero la única forma de encontrarlos es buscar en todos los resultados y descartar los que son imposibles. Eso consume mucho tiempo y esfuerzo de computación. Este proceso se llama tomografía cuántica. [Los 9 mayores misterios sin resolver en la física]

Una onda de luz es una combinación de un campo eléctrico y magnético, cada uno de los cuales oscila y forma una onda. Cada ola se mueve en el tiempo con la otra, y son perpendiculares entre sí. Un haz de luz se compone de muchas de estas ondas.

La luz puede tener lo que se llama momento angular orbital. En un rayo sin momento orbital angular, los picos de las ondas (los eléctricos, por ejemplo) están alineados. Un plano que conecte estos picos será plano. Si el haz tiene un momento angular orbital, un plano que conecta estos picos creará un patrón helicoidal en espiral, ya que las ondas de luz se desplazan entre sí ligeramente a medida que avanza alrededor del haz. Para medir el estado de los fotones, los científicos deben "desentrañar" esta forma helicoidal de las ondas en el haz.

Midiendo el estado cuántico de un fotón.

El equipo primero disparó un láser a través de un pedazo de polímero transparente que refractó la luz, "desentrañando" la hélice formada por las ondas. La luz luego pasó a través de lentes especiales y en una rejilla que hace muchas copias de la viga. Después de pasar a través de la rejilla, la luz se extiende para formar un haz más amplio.

Una vez que se amplía el haz, llega a un dispositivo llamado modulador de luz espacial. El modulador realiza la primera medición. El rayo se refleja de nuevo en la misma dirección de donde proviene y pasa a través de un divisor de rayo. En ese punto, parte del rayo se mueve hacia una rendija, lo que hace una segunda medición. [Física retorcida: 7 experimentos alucinantes]

Una de las dos medidas se llama "débil" y la otra "fuerte". Al medir dos propiedades, el estado cuántico de los fotones puede reconstruirse sin los largos cálculos de corrección de errores que requiere la tomografía.

En las computadoras cuánticas, el estado cuántico de la partícula es lo que almacena el qubit. Por ejemplo, un qubit puede almacenarse en la polarización del fotón o en su momento orbital-angular, o en ambos. Los átomos también pueden almacenar qubits, en sus momentos o giros.

Las computadoras cuánticas actuales tienen solo unos pocos bits en ellas. Malik notó que el registro es de 14 qubits, usando iones. La mayoría de las veces, los iones o fotones solo tendrán un par de bits que pueden almacenar, ya que los estados serán bidimensionales. Los físicos usan sistemas bidimensionales porque eso es lo que pueden manipular, sería muy difícil manipular más de dos dimensiones, dijo.

La medición directa, a diferencia de la tomografía, debería facilitar la medición de los estados de las partículas (fotones, en este caso). Eso significaría que es más sencillo agregar más dimensiones (tres, cuatro o incluso), como en este experimento, 27, y almacenar más información.

Mark Hillery, profesor de física en el Hunter College de Nueva York, se mostró escéptico de que la medición directa resultaría necesariamente mejor que las técnicas actuales."Existe una controversia sobre las mediciones débiles, en particular, si realmente son útiles o no", escribió Hillery en un correo electrónico a WordsSideKick.com. "Para mí, el principal problema aquí es si la técnica que utilizan es mejor (más eficiente) que la tomografía de estado cuántico para reconstruir el estado cuántico, y en la conclusión, dicen que realmente no lo saben".

Jeff Savail, un investigador candidato a la maestría en la Universidad Simon Fraser de Canadá, trabajó en un problema de medición directa similar en el laboratorio de Boyd, y su trabajo fue citado en el estudio de Malik. En un correo electrónico, dijo que una de las implicaciones más interesantes es el "problema de medición". Es decir, en los sistemas de mecánica cuántica, la cuestión de por qué algunas mediciones estropean los estados cuánticos mientras que otras no lo hacen es una cuestión filosófica más profunda que sobre las tecnologías cuánticas en sí mismas. "La técnica de medición directa nos da una manera de ver directamente en el corazón del estado cuántico con el que estamos lidiando", dijo. Eso no significa que no sea útil, ni mucho menos. "También puede haber aplicaciones en imágenes, ya que conocer la función de onda de la imagen, en lugar del cuadrado, puede ser bastante útil".

Malik estuvo de acuerdo en que se necesitan más experimentos, pero aún cree que las ventajas podrían estar en las ofertas de medición directa de velocidad relativa. "La tomografía reduce los errores, pero los [cálculos] posteriores al procesamiento pueden demorar horas", dijo.

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