Desenvolupen un nou sistema robust i eficient per mesurar l’entrellaçament quàntic

17/07/2018

La fita d’aconseguir comunicacions completament segures és cada cop més a prop, gràcies al control del que els físics anomenen l’entrellaçament entre sistemes quàntics. Una clau generada per mitjà d’aquest fenomen no es pot interceptar sense violar les lleis físiques.Recentment s’ha aconseguit codificar grans quantitats d’informació en un sol fotó, una sola partícula de llum. Mitjançant l’entrellaçament de moltes dimensions és possible correlacionar aquesta informació entre dos (o més) fotons d’una manera quàntica. Però per fer viable aquests resultats de manera pràctica s’ha de superar moltes dificultats. Entre elles, desenvolupar sistemes de mesura molt eficients que certifiquin que, efectivament, els sistemes es troben en aquest estat d’entrellaçament de moltes dimensions.

El grup de recerca que dirigeix l’investigador de l’Acadèmia Austríaca de Ciències Marcus Huber -que havia estat investigador postdoctoral a la UAB-, i on participa l’investigador del Departament de Física de la UAB Paul Erker, ha trobat una aproximació viable per certificar aquests estats d’entrellaçament multidimensional i l’han provat amb èxit en un experiment que descriuen a la revista Nature Physics.

Inicialment, els autors van afrontar el problema des d’un punt de vista matemàtic, tot reduint el nombre de mesures necessari per verificar l’entrellaçament multidimensional. Mentre gran part de les mesures convencionals en sistemes quàntics poden donar lloc a respostes simples que poden ser sí o no, existeixen mesures amb més respostes possibles, que requereixen més i més preguntes a mesura que la dimensió del sistema és més gran. Els investigadors han identificat una propietat matemàtica que permet simplificar aquest procés i obtenir una verificació sense ambigüitats de l’entrellaçament multidimensional, utilitzant tant sols dues preguntes. “Amb només dues preguntes podem obtenir gairebé qualsevol resposta sobre tot allò que vulguem saber de l’estat quàntic”, resumeix Marcus Huber.

Per posar a prova experimentalment el nou sistema, els investigadors van utilitzar fotons amb la característica que el seu moment angular orbital (una propietat relacionada amb el gir dels fotons que es pot mesurar) pot presentar un entrellaçament amb moltes dimensions. Els fotons van ser mesurats amb la nova tècnica i les dades obtingudes van confirmar que, efectivament, es trobaven en un estat d’entrellaçament multidimensional. De fet, un entrellaçament de 9 dimensions mai aconseguit fins ara en un experiment d’aquest tipus. “Abans de la nova tècnica proposada, els científics havien de dur a terme centenars o, fins i tot, milers de mesures per arribar a les mateixes conclusions en un experiment similar”, comenta la primera signant de l’article, Jessica Bavaresco.

L’avantatge d’aquest nou sistema no és només l’increment dràstic en l’eficiència del procés de certificació. També mostra molta més robustesa front el soroll ambiental -que pot arruïnar qualsevol experiment d’aquest tipus- i és més segur que els mètodes emprats fins ara. Els científics consideren que la nova tècnica proposada obre les portes a nombroses aplicacions interessants i que simplificarà en gran mesura la investigació en criptografia i comunicació quàntica d’altes dimensions.

Paul Erker és investigador predoctoral del Grup d’Informació i Fenòmens Quàntics del Departament de Física de la UAB, sota la supervisió de l’investigador ICREA Andreas Winter. En la recerca, dirigida per l’investigador de l’Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) de l’Acadèmia Austríaca de Ciències (ÖAW) Marcus Huber, han participat investigadors d’Àustria, la República Txeca, França, Espanya, Suïssa i el Regne Unit.

Article de referència:
Jessica Bavaresco, Natalia Herrera Valencia, Claude Klöckl, Matej Pivoluska, Paul Erker, Nicolai Friis, Mehul Malik i Marcus Huber. Measurements in two bases are sufficient for certifying high-dimensional entanglement. Nature Physics. http://dx.doi.org/10.1038/s41567-018-0203-z