Se logra desarrollar una fibra cuántica

La fibra óptica de pérdida muy baja fue creada en 1970 por Corning Incorporated y, desde entonces, se convirtió en el mejor medio para enviar información de manera muy eficiente, sin pérdida alguna, a grandes distancias, de un punto a otro. Hoy en día, la forma más común de transmisión de datos es a través de fibras ópticas convencionales, es decir, un solo canal central se encarga de transmitir la información. Pero, con el aumento exponencial de la generación de datos, estos sistemas están alcanzando ya los límites de capacidad en transmisión de información. Por tanto, los estudios recientes se están enfocando en encontrar nuevas formas de utilizar todo el potencial de las fibras buscando analizar su estructura interna y aplicar nuevos enfoques para mejorar la generación y transmisión de señales. Incluso, cabe destacar que la investigación basada en luz clásica está integrando luz quántica, facilitando la generación de nuevas aplicaciones basadas en tecnologías cuánticas.

A finales de los años 50, el físico Philip W. Anderson (quien también realizo importantes contribuciones a la física de partículas y la superconductividad) predijo lo que ahora se conoce con el nombre de localización de Anderson. Gracias a este descubrimiento, recibió el Premio Nobel de Física de 1977. En su formulación, Anderson mostró teóricamente bajo qué condiciones un electrón en un sistema desordenado puede moverse libremente a través del sistema como un todo o estar atado a una posición específica como un "electrón localizado". Este sistema desordenado puede ser, por ejemplo, un semiconductor con impurezas.

Posteriormente, se aplicó el mismo enfoque teórico a una variedad de sistemas desordenados, y se dedujo que también la luz podía experimentar la localización de Anderson. Experimentos en el pasado han demostrado la localización de Anderson en fibras ópticas, realizando el confinamiento o la localización de la luz (luz clásica o convencional) en dos dimensiones mientras se propaga a través de la tercera dimensión. Si bien estos experimentos habían mostrado resultados exitosos con luz clásica, hasta ahora nadie había probado tales sistemas con luz cuántica, luz que consiste en estados cuánticos correlacionados. Es decir, no se habia experimentado con luz cuántica hasta ahora.

En un estudio publicado recientemente en Communications Physics, los investigadores de ICFO Alexander Demuth, Robin Camphausen, Alvaro Cuevas, dirigidos por el Prof ICREA en ICFO Valerio Pruneri, en colaboración con Nick Borrelli, Thomas Seward, Lisa Lamberson y Karl W. Koch de Corning, junto con Alessandro Ruggeri de Micro Photon Devices (MPD) y Federica Villa y Francesca Madonini del Politecnico di Milano, han podido demostrar con éxito el transporte de estados cuánticos de dos fotones en la luz a través de una fibra óptica de localización de Anderson (PSF) con separación de fases.

Una fibra óptica convencional frente a una fibra de localización de Anderson

A diferencia de las fibras ópticas modo simple o mono núcleo convencionales, donde los datos se transmiten a través de un solo núcleo, una fibra de fase separada (PSF) o fibra de localización Anderson de fase separada está hecha de muchos hilos de vidrio incrustados en una matriz de vidrio de dos índices de refracción diferentes. Durante su fabricación, a medida que el vidrio de borosilicato se calienta y se funde, se convierte en una fibra, donde una de las dos fases de diferentes índices de refracción tiende a formar hilos de vidrio alargados. Dado que hay dos índices de refracción dentro del material, esto genera lo que se conoce como un desorden lateral, que conduce a la localización transversal (2D) de Anderson de la luz en el material.

Como expertos en la fabricación de fibra óptica, Corning creó una fibra óptica que puede propagar múltiples haces ópticos en una sola fibra óptica aprovechando la localización de Anderson. A diferencia de los haces de fibra multinúcleo, esta PSF demostró ser muy adecuada para este tipo de experimentos, ya que muchos haces ópticos paralelos pueden propagarse a través de la fibra con un espacio mínimo entre ellos.

El equipo de científicos, expertos en comunicaciones cuánticas, quería transportar la información cuántica de la forma más eficiente posible a través de la fibra óptica de fase separada fabricada por Corning. En el experimento, el PSF conecta un transmisor y un receptor. El transmisor es una fuente de luz cuántica (construida por ICFO). La fuente genera pares de fotones, correlacionados cuánticamente a través de la conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) en un cristal no lineal, donde un fotón de alta energía se convierte en un par de fotones, cada uno con menor energía. Los pares de fotones de baja energía tienen una longitud de onda de 810 nm. Debido a la conservación del impulso, surge la anticorrelación espacial. El receptor es una cámara de matriz de diodos de avalancha de fotón único (o Single Photon Array Detecttor -SPAD por sus siglas en ingles), desarrollada por Polimi y MPD. La cámara SPAD, a diferencia de las cámaras CMOS comunes, es tan sensible que puede detectar fotones individuales con un ruido extremadamente bajo; también tiene una resolución temporal muy alta, de modo que puede detectar la hora de llegada de los fotones individuales con gran precisión.

Luz Cuántica

El equipo de ICFO diseñó el experimento óptico con el fin de enviar luz cuántica a través de la fibra de localización de Anderson PSF y detectar su llegada con la cámara SPAD. La camara SPAD les permitió no solo detectar los pares de fotones, sino también identificarlos como pares, ya que llegan al mismo tiempo (se conocen con el nombre de fotones coincidentes). Como los pares están correlacionados cuánticamente, con saber dónde se detecta uno de los dos fotones nos permite instantáneamente saber la ubicación del otro fotón. Teniendo en cuenta esta técnica, el equipo verificó esta correlación justo antes y después de enviar la luz cuántica a través de la fibra PSF, demostrando con éxito que la anti-correlación espacial de los fotones se mantuvo.

Habiendo conseguido demostrar esto, el equipo de ICFO se dispuso a mostrar cómo mejorar sus resultados. Para ello, realizaron un análisis de escalado, con el fin de averiguar la distribución óptima del tamaño de las fibras de vidrio alargadas en el video correspondientes para la luz cuántica de 810 nm de longitud de onda. Tras un exhaustivo análisis con luz clásica, pudieron identificar las limitaciones actuales de la fibra PSF y proponer mejoras en su fabricación, con el fin de minimizar la atenuación y la pérdida de resolución durante el transporte.

Los resultados de este estudio han demostrado que este enfoque es potencialmente atractivo para procesos de fabricación escalables en aplicaciones reales que puedan involucrar técnicas de imagen cuánticas o comunicaciones cuánticas, especialmente para los campos de endoscopia de alta resolución, distribución de entrelazamiento y distribución cántica de claves

Reference: Quantum light transport in phase-separated Anderson localization fiber, Alexander Demuth, Robin Camphausen, Álvaro Cuevas, Nick F. Borrelli, Thomas P. Seward III, Lisa Lamberson, Karl W. Koch, Alessandro Ruggeri, Francesca Madonini, Federica Villa & Valerio Pruneri, Communications Physics volume 5, Article number: 261 (2022).