Un nuevo estudio demuestra que es posible prescindir de láseres para conseguir el entrelazamiento cuántico, una de las claves de la tecnología moderna.
Durante décadas, los laboratorios de física cuántica han compartido un protagonista casi inevitable: el láser. Su luz, perfectamente ordenada y sincronizada, parecía ser el ingrediente imprescindible para generar uno de los fenómenos más extraños del universo: el entrelazamiento cuántico. Ahora, un experimento demuestra que la naturaleza guardaba una sorpresa: la luz del Sol, caótica y cambiante, también puede producir partículas entrelazadas.
El hallazgo, publicado en Optica, cuestiona una de las ideas más arraigadas de la óptica cuántica y abre la puerta a tecnologías cuánticas más sencillas y eficientes desde el punto de vista energético. Los autores, liderados por Cheng Li, de la Universidad de Ottawa, lograron generar fotones entrelazados utilizando únicamente luz solar concentrada, sin recurrir al tradicional haz láser.
«El entrelazamiento cuántico es fundamental para aplicaciones como las comunicaciones seguras, los sensores de altísima precisión o la computación cuántica – explica Li-. Nuestro trabajo demuestra que fuentes naturales de luz, abundantes y gratuitas, también pueden utilizarse para producirlo, lo que podría hacer estas tecnologías más accesibles y energéticamente eficientes».
El entrelazamiento es uno de los fenómenos más desconcertantes descritos por la mecánica cuántica. Cuando dos partículas quedan entrelazadas, sus propiedades permanecen correlacionadas de una forma que no puede explicarse mediante la física clásica. Aunque después se separen, medir una de ellas permite conocer instantáneamente el estado de la otra, incluso si las divide una gran distancia. Albert Einstein calificó esta idea de «acción fantasmal a distancia», convencido de que debía existir una explicación más convencional. Sin embargo, décadas de experimentos han confirmado que el entrelazamiento es un fenómeno real y constituye hoy uno de los pilares de las tecnologías cuánticas.
Hasta ahora existía una razón muy sencilla para utilizar láseres: producen una luz extremadamente ordenada. Las ondas de un láser avanzan sincronizadas, con sus crestas y valles perfectamente alineados, como una multitud que marcha al mismo paso. Esa coherencia parecía imprescindible para generar pares de fotones entrelazados. La luz solar, en cambio, representa casi el extremo opuesto. Está formada por millones de colores diferentes y llega desde multitud de direcciones distintas. Es, en términos físicos, una fuente altamente incoherente.
Durante mucho tiempo se asumió que ese aparente desorden impediría producir entrelazamiento. Pero el nuevo estudio demuestra que la naturaleza es bastante más “permisiva”. La clave del estudio consiste en demostrar que no toda la luz necesita estar perfectamente organizada; basta con una de sus propiedades, en este caso, la polarización.
Para comprenderlo, podemos imaginar una multitud saliendo de un estadio. Cada persona camina a distinta velocidad, toma calles diferentes y viste ropa de distintos colores. Todo parece caótico. Sin embargo, si todas sostuvieran un paraguas apuntando exactamente en la misma dirección, existiría un patrón común escondido dentro de ese desorden. Eso es precisamente lo que descubrió el equipo de Li.
“Diseñamos el experimento para que las diferencias debidas a los distintos colores y direcciones de propagación no influyeran en la polarización de los fotones –añade Li–. Como predice nuestra teoría, si el entrelazamiento reside únicamente en la polarización, solo importa que esa propiedad permanezca ordenada, aunque el resto de la luz sea completamente incoherente».
El siguiente desafío era de ingeniería. Habitualmente, el cristal no lineal donde se generan los fotones entrelazados apenas mide unos milímetros. En cambio, la luz solar llega dispersa desde un disco aparente de medio grado en el cielo. Para resolver el problema, el equipo del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz diseñó un concentrador completamente de vidrio. Se trata de una gran lente de Fresnel, de un tamaño similar al de una ventana convencional, recogía la radiación solar y la concentraba dentro de una fibra óptica tan fina como un cabello humano. Esa fibra guiaba finalmente la luz hasta el diminuto cristal donde tenía lugar el proceso cuántico.
Gracias a ello el equipo de Li no solo consiguió generar pares de fotones, también demostraron que estaban realmente entrelazados. Mediante tomografía cuántica comprobaron que el estado obtenido alcanzaba una fidelidad del 94 % respecto a un estado cuántico ideal. Además, las correlaciones observadas violaban las desigualdades de Bell, uno de los criterios más sólidos para demostrar que un fenómeno no puede explicarse mediante la física clásica. En otras palabras, los fotones producidos gracias a la luz solar exhibían un comportamiento inequívocamente cuántico.
Aunque todavía se trata de una demostración experimental, las aplicaciones potenciales son numerosas. El estudio señala, por ejemplo, satélites capaces de generar claves de cifrado cuántico utilizando simplemente la luz del Sol, reduciendo el consumo energético y eliminando buena parte del complejo sistema láser que requieren los diseños actuales.
“Desde que comenzó este proyecto, muchos colegas dudaban incluso de que pudiéramos detectar un solo fotón utilizando luz solar, y mucho menos fotones entrelazados —recuerda Li—. Pero confiamos en nuestros cálculos, seguimos mejorando el experimento y finalmente demostramos que era posible”.
Sin embargo, quizá la consecuencia más importante no sea tecnológica, sino conceptual. Durante décadas se creyó que el entrelazamiento exigía una luz perfectamente ordenada. Este trabajo demuestra que basta con conservar un pequeño patrón de orden oculto dentro del aparente caos. La naturaleza, una vez más, ha resultado ser mucho menos estricta de lo que imaginábamos. Y eso significa que incluso la luz que ha recorrido 150 millones de kilómetros desde el Sol puede convertirse, al llegar a la Tierra, en materia prima para una de las tecnologías más sofisticadas que ha concebido el ser humano.
