Investigadores de la Universidad de Chile desarrollaron una herramienta teórica que permite detectar propiedades cuánticas ocultas en estados complejos de la luz mediante mediciones más simples y accesibles, un avance que podría contribuir al desarrollo de tecnologías cuánticas como sensores de alta precisión, comunicaciones seguras y computación cuántica.
A simple vista, un haz de luz láser puede parecer completamente ordinario. Sin embargo, en el mundo cuántico existen estados de luz capaces de exhibir comportamientos imposibles de describir mediante la física clásica. El problema es que estas propiedades suelen permanecer ocultas, especialmente cuando se trabaja con estados intensos que contienen grandes cantidades de fotones, lo que dificulta enormemente su detección experimental.
Con el objetivo de superar esta limitación, investigadores del laboratorio Amazing Quantum del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile, en colaboración con el grupo LAMP de la Universidad de Concepción, desarrollaron un método que permite identificar de manera más sencilla el carácter cuántico de ciertos estados no gaussianos de la luz. Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Physical Review Research.
Más allá de la campana de Gauss
En óptica cuántica, los llamados estados gaussianos representan sistemas cuyas fluctuaciones siguen distribuciones relativamente simples y predecibles. Por el contrario, los estados no gaussianos presentan estructuras mucho más complejas, con correlaciones y efectos que no tienen equivalente en la física clásica.
Estos estados son considerados recursos fundamentales para múltiples tecnologías cuánticas emergentes. Entre sus propiedades destaca la denominada negatividad de la función de Wigner, una característica asociada al comportamiento genuinamente cuántico de la luz y que puede otorgar ventajas en tareas de metrología, procesamiento de información y computación cuántica.
“Uno de los grandes desafíos actuales en óptica cuántica es detectar de manera simple cuándo un estado de luz es realmente cuántico y no clásico, especialmente cuando se trata de estados intensos y no gaussianos, que podrían ser fundamentales para futuras tecnologías cuánticas”, explica la Dra. Carla Hermann, académica del Departamento de Física de la Universidad de Chile e investigadora del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO).
Un «lobo con piel de oveja»
La investigación se enfocó en una familia de estados conocidos como estados coherentes generalizados (Generalized Coherent States, GCS). Estos se generan cuando un estado coherente de luz interactúa con medios no lineales, como ocurre en sistemas gobernados por interacciones del tipo Kerr.
Lo llamativo es que, aunque estos estados pueden presentar fuertes propiedades cuánticas —incluyendo negatividad de la función de Wigner y ventajas para mediciones de alta precisión—, conservan las mismas estadísticas de intensidad que un estado coherente convencional. Como resultado, las herramientas experimentales basadas únicamente en correlaciones de intensidad suelen clasificarlos erróneamente como estados clásicos.
“Estos estados son como un lobo con piel de oveja. Si uno utiliza únicamente las herramientas tradicionales de correlación de intensidad, el sistema sigue viéndose completamente clásico. Nadie sospecharía que existe un comportamiento cuántico relevante detrás”, señala Hermann.
Una medición más simple para detectar cuantumness
El principal hallazgo del estudio fue demostrar que una magnitud conocida como función de correlación intensidad-campo (intensity-field correlation function) permite revelar directamente la naturaleza no clásica de estos estados.
Los investigadores demostraron que, para los estados coherentes generalizados, cualquier desviación respecto del valor uno en esta correlación constituye una señal inequívoca de no clasicidad.
A diferencia de otras técnicas utilizadas para cuantificar propiedades cuánticas —como la reconstrucción completa de la función de Wigner—, este método requiere menos recursos experimentales, evita complejos análisis posteriores y podría implementarse prácticamente en tiempo real.
“Lo interesante es que permite detectar propiedades cuánticas complejas mediante una estrategia experimental relativamente sencilla y accesible para futuros experimentos”, destaca la investigadora.
Implicancias para las tecnologías cuánticas
El estudio fue desarrollado principalmente desde la teoría, mediante herramientas matemáticas que permitieron analizar distintos regímenes no lineales y evaluar el comportamiento del método frente a pérdidas, decoherencia y otras condiciones presentes en experimentos reales.
Los resultados podrían tener aplicaciones futuras en áreas como la computación cuántica de variables continuas, las comunicaciones cuánticas, la metrología de alta precisión y el desarrollo de sensores avanzados. Esto se debe a que los estados no gaussianos son considerados recursos esenciales para alcanzar ventajas cuánticas que no pueden obtenerse mediante estados gaussianos convencionales.
“En el fondo, este trabajo aporta una nueva forma de ‘ver’ y certificar propiedades cuánticas en sistemas donde hasta ahora era extremadamente difícil hacerlo”, concluye Hermann.
La investigación fue desarrollada por Víctor Gondret, Ignacio Salinas, Gerard Hartmann y Mariano Uria, bajo la dirección científica de la Dra. Carla Hermann, de la Universidad de Chile, y del Dr. Pablo Solano, de la Universidad de Concepción, consolidando una línea de investigación que busca comprender, generar y caracterizar estados cuánticos complejos de la luz para las tecnologías del futuro.
DOI: https://doi.org/10.1103/lykp-833h
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