Fotografía con microscopio del circuito superconductor que genera tres fotones mediante SPDC (extraído de Physical Review X 10, 011011 (2020))

El auge actual de los ordenadores cuánticos y, en general, de las llamadas tecnologías cuánticas, es posible gracias a décadas anteriores de trabajo teórico y pequeños experimentos académicos dentro de un campo que entonces se solía llamar "óptica cuántica". En 2012, por ejemplo, esos esfuerzos fueron reconocidos con el premio Nobel de Física para Serge Haroche y David Wineland "por métodos experimentales innovadores que permiten medir y manipular sistemas cuánticos individuales". Ese "medir y manipular" sistemas cuánticos de pocos elementos, hasta llegar al nivel de un solo átomo o fotón, es lo que permite que ahora podamos soñar con un ordenador hecho de bits cuánticos. 

Uno de los elementos interesantes de la caja de herramientas de la óptica cuántica son los procesos de Conversión Paramétrica Espontánea Descendente (¡toma ya!, SPDC, por sus siglas en inglés "spontaneous parametric down-conversion"), en los que un fotón se transforma en dos fotones tras interaccionar con determinados materiales cuánticos. "Descendente" es la palabra aquí porque la frecuencia del fotón original (y, por tanto, su energía: recordemos que un fotón es un "paquete de energía", donde el paquete contiene tanta energía como su frecuencia multiplicada por un número llamado  "constante de Planck"; así que, cuanta más frecuencia, más energía) se divide en dos paquetes, cada uno con la mitad de frecuencia-energía (como, en principio, uno esperaría por la conservación de la energía). Este par de fotones que se crea tiene mucho interés para las nuevas tecnologías cuánticas, ya que, al tener un origen común en un proceso cuántico, la pareja está entrelazada, es decir, las propiedades de los fotones tienen unas correlaciones que van más allá de las que se pueden alcanzar en sistemas que no son cuánticos. Hay un caso especial de SPDC en el que la frecuencia de origen no la aporta un fotón, sino que es una frecuencia de movimiento, por ejemplo el movimiento de un espejo en una cavidad en la que esté confinada la luz. Igual que en el caso anterior, se creará un par de fotones entrelazados, cuya suma de frecuencias será igual a a la frecuencia del movimiento. Al no requerir un fotón inicial, este proceso ocurre incluso si lo que está confinado en la cavidad es un vacío sin fotones. Es decir, el movimiento del espejo crea fotones que, de alguna manera, aparecen de la "nada" (en realidad, no es la nada, es el vacío del campo electromágnetico: esto demuestra que la ausencia de partículas no es equivalente a la nada). A este fenómeno tan chulo se la llama "Efecto Casimir Dinámico" (DCE, por sus siglas en inglés) y aunque se descubrió teóricamente en 1970, no pudo demostrarse en un experimento hasta 2011, con un sistema de circuitos cuánticos superconductores, en el que un campo magnético rápidamente oscilante hacía las veces de espejo. 

Parece natural preguntarse si es posible crear más de dos fotones en un experimento de tipo SPDC. ¿Podemos crear tres? De nuevo, esta era una posibilidad teórica conocida, pero difícil de realizar en un experimento. Hace poco, lo conseguimos en una colaboración con físicos teóricos y experimentales de la Universidad de Waterloo (Canadá), la Universidad Tecnológica Chalmers (Gotemburgo, Suecia), y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona. El experimento, realizado en Canadá, modificaba las propiedades de circuitos superconductores cuánticos parecidos a los usados para demostrar el DCE en 2011 para que produjeran un triplete de fotones en lugar de una pareja. Los resultados se publicaron en Physical Review X a principios de este año 2020.  

Naturalmente, este triplete de fotones debe estar también entrelazado, debido a su origen en un proceso de tipo SPDC. Sin embargo, comprobar esto no es tan sencillo, ya que un sistema de tres partes es muy distinto a un sistema con solo dos partes, como veremos a continuación.

El ejemplo clásico de entrelazamiento cuántico implica a dos bits cuánticos (cubits) en una situación en la que hay una probabilidad del 50 % de tener 00 y una probabilidad del 50 % de tener 11: así, el resultado de cualquier medida es completamente aleatorio pero las correlaciones entre las partes son perfectas: 0 en una parte implica 0 en la otra, y lo mismo con 1. Si pensamos en un sistema de tres partes, lo primero que se nos ocurre es una combinación también al 50 % de 000 y 111. No hay duda de que hay correlaciones cuánticas en esta situación. Sin embargo, estos estados tienen una propiedad curiosa: si nos olvidamos de una de las partes (cualquiera de ellas) y consideramos solamente a las otras dos, las leyes de la física cuántica nos dicen que el estado en que han quedado estas dos partes no presenta entrelazamiento cuántico, sus correlaciones son solo clásicas. En cambio, podemos pensar también en una combinación con igual probabilidad de tener, por ejemplo, 100, 010 y 001. Si ahora nos olvidamos de cualquiera de los tres cubits, se puede demostrar que el estado resultante para los otros dos también tiene entrelazamiento cuántico. Por tanto, vemos que en sistemas de tres cubits hay al menos dos tipos distintos de entrelazamiento tripartito, según si contiene entrelazamiento bipartito o no. 

Nuestros fotones no son bits cuánticos, ya que su entrelazamiento se refiere a variables continuas como la posición o la velocidad, que, por tanto, pueden tener más de dos valores. Sin embargo, lo que acabamos de demostrar con mi joven colega del IFF (CSIC) Andrés Agustí y nuestros colaboradores de Chalmers y Waterloo, es que también se da una situación parecida a la descrita en el párrafo anterior. Algunos intentos anteriores de estudiar el entrelazamiento contenido en teoría en un trío de fotones como el generado en nuestro experimento, se habían centrado en considerar todas las correlaciones entre todos los pares de partículas, llegando a la conclusión de que el estado no estaba entrelazado. Nosotros pensamos que había que enfocar el problema de manera distinta y buscar directamente correlaciones genuinamente tripartitas. De esta manera, hemos conseguido demostrar que los estados producidos en el experimento tenían efectivamente entrelazamiento cuántico, y hemos propuesto un criterio para comprobarlo en el laboratorio. El artículo acaba de ser aceptado en Physical Review Letters y se puede leer en acceso abierto aquí (donde pronto subiremos la última versión, con correcciones incorporadas gracias al proceso de revisión por pares). Nuestros resultados muestran que hay distintos tipos de entrelazamiento cuántico en sistemas de tres fotones y, por tanto, distintas maneras en los que pueden ser útiles en tecnologías cuánticas. 

Carlos Sabín
Carlos Sabín

Físico teórico. Investigador "Junior Leader" en el Instituto de Física Fundamental del CSIC. Autor de "Verdades y mentiras de la física cuántica".

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