Investigadores de la Universidad de Rochester (Estados Unidos) y la Universidad de Ottawa (Canadá) han aplicado una técnica recientemente desarrollada para medir directamente por primera vez los estados de polarización de la luz. Su trabajo, publicado en la revista 'Nature Photonics', supera algunos de los retos importantes del principio de incertidumbre de Heisenberg y es aplicable a los qubits, los pilares fundamentales de la teoría de la información cuántica.
La técnica de medición directa fue desarrollada por primera vez en 2011 por científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas de Canadá para medir la función de onda, una forma de determinar el estado de un sistema cuántico.
Tales mediciones directas de la función de onda hacía tiempo que parecían imposibles a causa de un principio clave de incertidumbre, la idea de que ciertas propiedades de un sistema cuántico podrían ser conocidas si se conocen con precisión ciertas propiedades de los demás. La capacidad de hacer estas mediciones directamente desafía la idea de que la comprensión plena de un sistema cuántico nunca podría provenir de la observación directa.
Los investigadores de Rochester y Ottawa, dirigidos por Robert Boyd, de ambas universidades, midieron los estados de polarización de la luz, las direcciones en las que los campos eléctricos y magnéticos de la luz oscilan. Su resultado clave, al igual que el del equipo que fue pionero en la medición directa, es que es posible medir las principales variables relacionadas de una partícula cuántica o estado directamente.
Los estados de polarización de la luz pueden ser usados para codificar la información, que es por lo que puede ser la base de qubits en aplicaciones de información cuántica. "La posibilidad de realizar una medición directa de la función de onda cuántica tiene importantes implicaciones futuras para la ciencia de la información cuántica", explicó Boyd, de la Cátedra de Investigación en Óptica Cuántica no lineal en la Universidad de Ottawa y profesor de Óptica y Física de la Universidad de Rochester.
En este sentido, este experto explica que el trabajo de su equipo consiste en aplicar esta técnica a otros sistemas, por ejemplo, la medición de la forma mixta (en lugar de pura) del estado cuántico. Anteriormente, una técnica llamada tomografía cuántica ha permitido a los investigadores medir la información contenida en estos estados cuánticos, pero sólo de manera indirecta. La tomografía cuántica requiere un intenso postratamiento de los datos y este es un proceso que consume tiempo y no se requiere en la técnica de medición directa, pero, en un principio, la nueva técnica proporciona la misma información que la tomografía cuántica pero en mucho menos tiempo.
"La clave para caracterizar cualquier sistema cuántico está reuniendo información sobre las variables conjugadas", dijo el coautor Jonathan Leach, ahora profesor en la Universidad Heriot-Watt, en Reino Unido. "La razón por la que no se creía posible medir dos variables conjugadas directamente se debía a que la medición de una destruiría la función de onda antes de que se pudiera medir la otra", agrega.
POR MEDICIÓN DÉBIL
La técnica de medición directa emplea un "truco" para medir la propiedad del primero de tal manera que el sistema no se ve perturbado de forma significativa y la información acerca de la propiedad del segundo todavía puede ser obtenida. Esta medida se basa en la cuidadosa "medición débil" de la propiedad en primer lugar seguido por una "medida fuerte" de la segunda propiedad.
Descrito por primera vez hace 25 años, la medición débil requiere que el acoplamiento entre el sistema y lo que se usa para medir, como su nombre indica, sea "débil", lo que significa que el sistema está apenas alterado en el proceso de medición. La desventaja de este tipo de medición es que una sola medida sólo proporciona una pequeña cantidad de información y, para obtener una lectura precisa, el proceso tiene que ser repetido varias veces y tomar la media.
Boyd y sus colegas usaron la posición y el momento de la luz como indicador del estado de polarización para acoplar la polarización con el grado de libertad espacial que utiliza cristales birrefringentes: cuando la luz pasa a través de un cristal existe una separación espacial introducida para diferentes polarizaciones.
Por ejemplo, si la luz está hecha de una combinación de componentes horizontal y verticalmente polarizados, las posiciones de los componentes individuales se extenderán cuando pasen a través del cristal de acuerdo con su polarización. El espesor del cristal puede controlar la fuerza de la medición, débil o fuerte, y determinar el grado de separación, pequeño o grande.
En este experimento, Boyd y sus colegas pasaron la luz polarizada a través de dos cristales de diferentes espesores: el primero, uno muy fino que "débilmente" mide el estado de polarización horizontal y vertical, y el segundo, uno mucho más grueso que "fuertemente" mide la polarización diagonal diagonal y antiestado. A medida que la primera medición se realizó débilmente, el sistema no fue significativamente alterado, y por lo tanto, la información obtenida de la segunda medición siguió siendo válida. Este proceso se repite varias veces para acumular estadísticas precisas y poniendo todo eso junto ofrece una caracterización completa y directa de los estados de polarización de la luz.
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