Diseñar luz cuántica podría ser el primer paso para nuevas y sorprendentes tecnologías

Los investigadores han demostrado cómo se puede diseñar la luz cuántica en el espacio y el tiempo, para crear estados cuánticos multidimensionales y de alta dimensión. El trabajo destaca cómo los fotones estructurados bajo determinadas condiciones ofrecen nuevas vías para la comunicación cuántica de alta capacidad, y abren posibilidades para el desarrollo de tecnologías cuánticas avanzadas hacia el futuro.

Científicos e ingenieros de la Universidad de Wits, en Sudáfrica, y la Universidad Autónoma de Barcelona, en España, muestran en un estudio publicado en la revista Nature Photonics cómo el control de la estructura de los fotones, que son las partículas elementales que componen la luz y la totalidad de la radiación electromagnética, facilita el diseño de estados cuánticos personalizados para la comunicación, la detección y la obtención de imágenes de próxima generación.

Dando forma a la luz cuántica y modelando el futuro

En concreto, el objetivo es poder “dar forma” a los fotones, de modo que no solo viajen, sino que lleven mucha más información y resistan mejor los errores. Esa es la promesa de la llamada luz cuántica estructurada, un campo que podría llegar a un punto de inflexión con los nuevos descubrimientos: la ingeniería de la luz abriría la puerta a tecnologías que, en la actualidad, parecen lejanas al mundo real y cotidiano.

El equipo liderado por Andrew Forbes y sus colaboradores explicó cómo, en las últimas dos décadas, han surgido herramientas que permiten controlar las propiedades espaciales, temporales y espectrales de los fotones. Esas herramientas, que van desde dispositivos integrados en chips hasta técnicas de óptica no lineal y conversión de multiplanos de luz, forman hoy un “kit” capaz de generar estados cuánticos complejos y con muchas dimensiones.

¿Por qué es importante “estructurar” la luz? Porque permite utilizar "alfabetos" de información mucho más grandes: en lugar de transmitir un bit por fotón, se puede codificar mucha más información en diferentes modos. Eso significa canales cuánticos con mayor capacidad y más resistencia al ruido, las interferencias y los errores, con aplicaciones directas en comunicaciones seguras y en redes cuánticas.

Desafíos a afrontar y aplicaciones concretas

De acuerdo a una nota de prensa, aún se deben superar numerosos escollos técnicos y prácticos. Algunas formas estructuradas de luz se deterioran con la distancia o con las condiciones reales de transmisión, limitando por ahora su alcance frente a técnicas más maduras. Aun así, esos desafíos empujan a explorar ideas nuevas, como dotar a los estados cuánticos de propiedades que los hagan más robustos.

Las aplicaciones que podrían desarrollarse en el futuro incluyen la imagen cuántica de alta resolución, metrología para mediciones extremadamente precisas y comunicaciones que pueden llevar mucha más información por cada fotón. También se describen avances en detección cuántica ultrarrápida y en fuentes integradas en un chip, que podrían trasladar estas capacidades fuera del laboratorio hacia dispositivos reales.

A medida que aumente la dimensionalidad, el número de fotones útiles y la resistencia a condiciones reales, las aplicaciones dejarán de ser promesas y se convertirán en productos y tecnologías concretas, según indican los científicos. Es el camino que han recorrido otros avances en el pasado, y que han desembocado en tecnologías que hoy dominan nuestra vida diaria.