Utilizamos cookies propias y de terceros para mejorar nuestros servicios y facilitarle el uso de la web mediante el análisis de sus preferencias de navegación. Si continúa navegando, consideramos que acepta nuestra Política de cookies .

  • Actualidad científica
  • 17/12/2012

Mecánica Cuántica

Entrelazamiento máximo entre las variables continuas de tres fotones

Hasta ahora solo se había conseguido llevar a cabo con magnitudes discretas, como la polarización.

Nature Physics

Histograma con las diferencias en el tiempo de llegada de los fotones 1-2 y 2-3 tras más de 70 horas de toma de datos. La llegada de tripletes se registra en una región muy reducida del espacio de parámetros, lo que demuestra la existencia de fuertes correlaciones entre los tres fotones. [De: «Three-photon energy-time entanglement», L. K. Shalm et al. en Nature Physics, 25 de noviembre de 2012; doi:10.1038/nphys2492]

El entrelazamiento es un fenómeno puramente cuántico que hace que las mediciones efectuadas sobre dos o más partículas se hallen siempre fuertemente correlacionadas, con independencia de la distancia a la que se encuentren unas de otras. En el caso de un par de fotones entrelazados, por ejemplo, el resultado obtenido al medir la polarización de uno de ellos determinará los resultados posibles a la hora de medir la polarización del segundo. En términos matemáticos, se dice que el estado del sistema es no separable; es decir, la función de onda que describe el sistema formado por los dos fotones no puede escribirse como un producto directo («factorizable») de los estados posibles del primer fotón y los estados posibles del segundo, sino que ambos se encuentran necesariamente mezclados. 

El entrelazamiento entre la polarización de dos fotones constituye el ejemplo más simple —y el más estudiado— del fenómeno. Ello se debe a que en él participan el menor número posible de partículas (dos) y a que las variables entrelazadas son discretas (polarización vertical u horizontal, por ejemplo), lo cual simplifica en gran medida tanto el análisis teórico del fenómeno como su realización experimental. Ahora, un artículo publicado en la edición en línea de la revista Nature Physics ha referido la primera demostración empírica de un estado máximamente entrelazado entre las variables continuas de tres fotones: en concreto, entre la energía y el tiempo de emisión de cada uno de ellos. Dado que se trata de fotones, tales magnitudes guardan una relación directa con su momento y su posición, respectivamente, motivo por el que los autores han presentado sus resultados como la generalización para tres partículas de las correlaciones de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), en referencia al famoso experimento mental propuesto por los tres físicos en 1935.

Una de las maneras más empleadas para crear pares de fotones entrelazados es mediante el proceso conocido como conversión paramétrica espontánea. En él, un haz láser se hace incidir sobre un cristal óptico no lineal. Como consecuencia de las fluctuaciones cuánticas del vacío en el seno del medio óptico, de tanto en tanto uno de los fotones de bombeo se dividirá en dos. Debido a ese origen común, los dos fotones así creados pueden hallarse entrelazados tanto en sus polarizaciones como en sus momentos. En particular, el proceso no disipa energía hacia el medio óptico, lo que implica que la suma de las energías de los fotones creados es igual a la energía del fotón de bombeo.

En su experimento, L. K. Shalm y sus colaboradores emplearon dicho fenómeno para crear un par de fotones entrelazados y, después, volvieron a aplicar el mismo proceso a uno de los dos fotones hijos. Una vez creados de esa manera los tres fotones, los investigadores procedieron a medir los respectivos tiempos de llegada (relacionados de manera unívoca con el tiempo de emisión de cada uno) en sendos detectores. La clave residía en demostrar que el entrelazamiento entre los tres fotones era máximo, o «genuinamente tripartito»: en términos simplificados, que no se trataba simplemente de una mezcla de estados entrelazados dos a dos. A tal efecto, los investigadores derivaron varias desigualdades que deberían satisfacerse en caso de que el estado cuántico del sistema fuese parcialmente separable. En particular, la violación de una sola de ellas demostraría la existencia de un entrelazamiento máximo entre los tres fotones.

Tras medir las coincidencias en los tiempos de llegada de los tres fotones durante un tiempo total de más de 70 horas (con una tasa de detección de unos 7 tripletes por hora), los autores comprobaron que las diferencias en los tiempos de llegada de cada uno de los pares posibles (2-1, 3-1 y 3-2) y la energía total de los tres fotones (1+2+3) violaban todas las desigualdades anteriores. Además, dichas violaciones resultaron ser tan extremas como lo permitía la precisión del dispositivo experimental.

Según los autores, hasta ahora los entrelazamientos de este tipo se habían logrado llevar a cabo con las variables discretas de hasta 14 partículas. Sin embargo, el equivalente con variables continuas solo se había demostrado para el caso de dos partículas. Aparte de suponer una comprobación experimental de uno de los fenómenos más fundamentales de la mecánica cuántica, los autores esperan que el «hiperentrelazamiento» entre las variables continuas y discretas de varias partículas abra nuevas posibilidades en el campo de la información cuántica. 

Más información en Nature Physics. Una versión del artículo técnico se encuentra disponible en arXiv (incluye información suplementaria).

—IyC