El trabajo liderado por investigadores del laboratorio Amazing Quantum, de la Universidad de Chile, propone un método teórico simple y experimentalmente accesible para identificar propiedades cuánticas en estados intensos y exóticos de la luz, un recurso clave para las tecnologías cuánticas emergentes.
Fuente: DFI-FCFM Universidad de Chile
A simple vista, un haz de luz puede parecer completamente normal, como cualquier puntero láser. Sin embargo, en el mundo cuántico, algunos estados de luz pueden esconder propiedades extraordinarias imposibles de explicar con la física clásica.
El desafío es que, muchas veces, en particular cuando se trabaja con muchos fotones, esas propiedades permanecen invisibles incluso para las herramientas experimentales más utilizadas en óptica cuántica. Detectarlas requiere técnicas complejas (incluso inexistentes), reconstrucciones matemáticas avanzadas y enormes cantidades de datos experimentales.
Esta dificultad es precisamente la que aborda un nuevo estudio de investigadores del Departamento de Física (DFI) 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, publicado recientemente en la revista científica Physical Review Research.
¿Qué es la no gaussianidad?
El trabajo propone una nueva forma de revelar el carácter cuántico de ciertos estados no gaussianos (muy exóticos) de la luz, mediante una técnica mucho más simple que puede ser aplicada en tiempo real.
En física y óptica cuántica, la no gaussianidad describe estados de luz cuyo comportamiento no sigue patrones predecibles, como ocurre con la clásica campana de Gauss, una curva matemática que describe cómo se distribuyen muchos fenómenos naturales alrededor de un valor promedio.
Mientras los estados gaussianos tienen fluctuaciones ordenadas y relativamente simples, los estados no gaussianos presentan estructuras mucho más complejas, con correlaciones y efectos cuánticos que no existen en la física clásica.
“Es como pasar de una onda tranquila y uniforme a una figura llena de detalles finos e interferencias. Uno de los grandes desafíos actuales en óptica cuántica es poder detectar de manera simple cuando un estado de luz es realmente cuántico y no clásico, especialmente cuando son estados intensos y no gaussianos, que podrían ser fundamentales para tecnologías cuánticas emergentes”, explica la Dra. Carla Hermann, académica del DFI-FCFM e investigadora del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO), quien participó en la dirección científica del estudio.
Nueva estrategia experimental
La investigación se centra en una familia conocida como estados cuánticos generalizados, que son aquellos que aparecen cuando un haz de luz coherente interactúa con un medio no lineal.
Aunque estos estados desarrollan propiedades profundamente cuánticas -como negatividad de la función de Wigner y ventajas metrológicas-, suelen “disfrazarse” de estados clásicos frente a las mediciones estándar usadas en óptica cuántica.
“Estos estados son como un lobo con piel de oveja. Si uno no utiliza las herramientas tradicionales de correlación de intensidad, el sistema sigue viéndose clásico. Nadie sospecharía que hay algo cuántico muy potente detrás”, señala la investigadora.
El principal hallazgo del estudio fue demostrar teóricamente que una función conocida como intensity-field correlation function, permite detectar directamente ese comportamiento no clásico.
Según revela la investigación, cualquier desviación respecto de un valor específico en esta correlación constituye una forma inequívoca de continuidad en estos estados. “Lo interesante es que esto permite detectar propiedades cuánticas complejas mediante una estrategia experimental relativamente sencilla y potencialmente en tiempo real», agrega Carla Hermann.
El estudio fue desarrollado principalmente desde la teoría, utilizando herramientas matemáticas avanzadas para describir distintos regímenes no lineales, incluyendo estados generados mediante linealidad de Kerr. El equipo también analizó cómo este método se comporta frente a pérdidas, decoherencia y mezclas estadísticas, condiciones necesarias para experimentos reales.
Futuras aplicaciones
Además de su relevancia fundamental para la física cuántica, la investigación podría tener aplicaciones futuras en computación cuántica, metrología de precisión, sensores avanzados y comunicaciones cuánticas. Los estados no gaussianos estudiados son considerados recursos esenciales para plataformas de computación cuántica de variables continuas y tecnologías donde se requieren ventajas cuánticas.
La investigadora añade que este trabajo forma parte de una línea de investigación más amplia desarrollada por el grupo durante los últimos años, orientada tanto a la generación como a la caracterización de estados cuánticos complejos de la luz. “En el fondo, este trabajo aporta una nueva forma de ‘ver’ y certificar quantumness en sistemas donde hasta ahora era extremadamente difícil hacerlo, detalla Hermann.
En el estudio participaron los investigadores del DFI-FCFM Víctor Gondret e Ignacio Salinas, Gerd Hartmann y Mariano Uria, bajo la dirección científica de la profesora del DFI-FCFM, Carla Hermann y el profesor Pablo Solano de la Universidad de Concepción. La investigación representa un nuevo avance en óptica cuántica y tecnologías cuánticas emergentes, áreas consideradas estratégicas para el desarrollo científico y tecnológico de las próximas décadas.