Nous avenços en llum quàntica estructurada obren la porta a comunicacions més segures i computació ultraràpida

Un equip internacional de científics, amb participació de la UAB, ha publicat a Nature Photonics una revisió sobre un camp emergent que està transformant la manera com ens comuniquem, mesurem i processem informació: la llum quàntica estructurada. Es tracta d’una tecnologia que combina informació quàntica amb estructures espacials i temporals de la llum per crear fotons amb una capacitat d’informació sense precedents.

Els investigadors destaquen com la manipulació de múltiples graus de llibertat de la llum, com ara la polarització, els modes espacials o la freqüència, permet generar estats quàntics d’alta dimensionalitat, en què els ja reconeguts qbits (de dues dimensions, amb els fotons en superposició de dos estats quàntics) passen a ser qdits (amb més de dues dimensions). Aquestes propietats obren noves oportunitats en diversos camps. En l’àmbit de les comunicacions quàntiques, s’incrementa la seguretat, ja que hi ha més informació per cada fotó i s’obre la possibilitat de tenir molts canals simultanis de comunicació, amb més tolerància a errors i resistència al soroll. Pel que fa a la computació quàntica, la llum estructurada permet circuits més simples i ràpids, amb la possibilitat de crear estats per a simulacions complexes. També obre les portes a millores en imatge i metrologia, amb tècniques de resolució millorada (com el desenvolupament recent del microscopi quàntic hologràfic, que permet obtenir imatges de mostres biològiques delicades) i sensors ultrasensibles basats en correlacions quàntiques. Algunes d’aquestes eines ja s’han implementat en xips que integren fonts de llum que produeixen fotons individuals amb sistemes de processament òptic per generar llum quàntica estructurada. D’altra banda, la llum estructurada també permet simulacions de sistemes quàntics complexos per predir, per exemple, la interacció entre molècules i xarxes, amb potencial per al desenvolupament de nous materials.

Per a l’investigador Adam Vallés, del Grup d’Òptica del Departament de Física de la UAB, «estem en un punt d’inflexió: la llum quàntica estructurada ja no és només una curiositat científica, sinó una eina amb potencial real per transformar la comunicació, la computació i el processament d’imatge». Vallés destaca el paper de la UAB com a referent en aquest camp gràcies a l’aliança amb el professor Andrew Forbes, de la Universitat de Witwatersrand, a Johannesburg (Sud-àfrica), amb «avenços de gran impacte internacional, com ara la teleportació estimulada d’informació quàntica codificada en altes dimensions, el disseny de cavitats làser per generar estats complexos de gran puresa o, en l’àmbit de la criptografia, la distribució de clau quàntica robusta davant obstacles que bloquegen el canal de comunicació». 

L’article, destacat com a article de portada a Nature Photonics, és fruit d’una llarga col·laboració de l’investigador del Grup d’Òptica del Departament de Física de la UAB Adam Vallés i el grup de recerca especialitzat en llum estructurada liderat pel professor Andrew Forbes, de la Facultat de Física de la Universitat de Witwatersrand, a Johannesburg (Sud-àfrica). Aquest darrer projecte, finalment publicat com a article de revisió, ha estat possible també gràcies al suport de la Catalonia Quantum Academy (CQA), una plataforma col·laborativa coordinada per l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) i impulsada per la Generalitat de Catalunya, que treballa per reforçar la formació i el desenvolupament de talent en ciències i tecnologies quàntiques al país.

Article de referència: 

Forbes, A., Nothlawala, F. i Vallés, A. Progress in quantum structured light. Nat. Photon. 19, 1291–1300 (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01795-x