Investigadores de la Universidad de Rochester (EEUU) y de la Universidad de Ottawa (Canadá) han aplicado una técnica recientemente desarrollada para medir, por primera vez de manera directa, los estados de polarización de la luz.
Su trabajo supera algunos de los retos importantes del principio de incertidumbre de Heisenberg y también sería aplicable a los qubits, que son los pilares fundamentales de la teoría de la información cuántica. Los resultados de la investigación han aparecido publicados en Nature Photonics.
La técnica de medición directa fue desarrollada por primera vez en 2011 por científicos del National Research Council de Canadá para medir la función de onda, que es una manera de determinar el estado de un sistema cuántico.
Hace tiempo, tales mediciones directas de la función de onda parecían imposibles desde la perspectiva del principio de incertidumbre, que señala que ciertas propiedades de un sistema cuántico no pueden conocerse bien si otras propiedades son conocidas con precisión.
La capacidad de hacer estas mediciones directamente desafía por tanto la idea previa de que la comprensión total de un sistema cuántico no puede conseguirse por observación directa.
Conocer las variables conjugadas
Los investigadores de Rochester y Ottawa, dirigidos por Robert Boyd, midieron los estados de polarización de la luz, que son las direcciones a las que oscilan sus campos eléctrico y magnético.
Su resultado clave, al igual que el del equipo que realizó por primera vez este tipo de medición directa, es que es posible medir las principales variables relacionadas, conocidas como “variables conjugadas”, de una partícula cuántica o de un estado cuántico, directamente.
Los estados de polarización de la luz pueden ser usados para codificar la información, y por eso podrían llegar a ser la base de los qubits en aplicaciones de información cuántica.
«La posibilidad de realizar una medición directa de la función de onda cuántica tendrá importantes implicaciones para la ciencia de la información cuántica», explica Boyd en un comunicado de la Universidad de Rochester, en la que trabaja como profesor de óptica y de física.
«La investigación en curso de nuestro grupo consiste en aplicar esta técnica a otros sistemas, por ejemplo, la medición de un estado cuántico ‘mixto’ (en lugar de puro)”, añade el investigador.
Un truco ‘débil’
Anteriormente, la técnica de tomografía cuántica había permitido a los investigadores medir la información contenida en estos estados cuánticos, pero solo de manera indirecta.
La tomografía cuántica requiere a posteriori de un intenso tratamiento de los datos obtenidos, un proceso que consume mucho tiempo y que no es necesario con la técnica de medición directa. Así, en principio, esta nueva técnica proporcionaría la misma información que la tomografía cuántica, pero en mucho menos tiempo.
«La clave para caracterizar cualquier sistema cuántico radica en reunir información sobre las variables conjugadas», explica Jonathan Leach, co-autor de la investigación y profesor de la Universidad Heriot-Watt University del Reino Unido.
«La razón por la que hasta ahora se consideraba imposible medir dos variables conjugadas directamente es porque se creía que la medición de una (de las variables) destruiría la función de onda, antes de que la otra variable pudiera ser medida”, continúa Leach.
Pero la técnica de medición directa emplea un «truco» para medir la primera propiedad de tal forma que el sistema no se vea perturbado de manera significativa y, por tanto, que la información acerca de la segunda propiedad también pueda ser obtenida. Esto se logra gracias a la «medición débil» de la primera variable, que va seguida de una “medición fuerte» de la segunda.
Descrita por primera vez hace 25 años, la “medida cuántica débil” requiere que el acoplamiento entre el sistema y lo que se usa para medirlo sea, como su propio nombre indica, «débil». Esto supone que el sistema apenas se altere por la medición.
La desventaja de este tipo de medición es que una única medida proporciona solo una pequeña cantidad de información por lo que, para obtener una lectura precisa, el proceso debe ser repetido varias veces para hacer media.
Caracterización completa
Boyd y sus colegas usaron la posición y el momento de la luz como indicadores del estado de polarización. Para acoplar la polarización con el grado de libertad espacial utilizaron cristales birrefringentes o de doble refracción: cuando la luz pasa a través de un cristal de este tipo, se produce una separación espacial debida a las diferentes polarizaciones.
Por ejemplo, si la luz está hecha de la combinación de un componente horizontalmente polarizado y otro verticalmente polarizado, las posiciones de ambos componentes individuales se expandirán cuando pasen a través del cristal según su polarización. El espesor del cristal puede controlar la fuerza de la medición, débil o fuerte, y determinar el grado de separación, correspondientemente pequeña o grande.
En este experimento, los científicos pasaron luz polarizada a través de dos cristales de diferente espesor: el primero, un cristal muy fino -que «débilmente» midió el estado de polarización horizontal y vertical de la luz-; y el segundo, un cristal mucho más grueso que midió «fuertemente» el estado de polarización diagonal y anti-diagonal.
Como la primera medición se realizó débilmente, el sistema no se alteró de manera significativa y, por tanto, la información obtenida de la segunda medición resultó válida. Este proceso se repitió varias veces para reunir estadísticas precisas. Todo ello ofreció una caracterización completa y directa de los estados de polarización de la luz.
Referencia bibliográfica:
Jeff Z. Salvail, Megan Agnew, Allan S. Johnson, Eliot Bolduc, Jonathan Leach, Robert W. Boyd. Full characterization of polarization states of light via direct measurement. Nature Photonics (2013). DOI:10.1038/nphoton.2013.24.