Un equipo de la Universidad de Ottawa, en colaboración con investigadores de la Sapienza Università di Roma, desarrolló una técnica capaz de reconstruir y visualizar en tiempo real la función de onda de dos fotones entrelazados. El avance promete acelerar de forma decisiva el desarrollo de tecnologías cuánticas.

Qué es el entrelazamiento cuántico y por qué importa

El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más desconcertantes de la física moderna. Dos partículas pueden quedar vinculadas de tal manera que el estado de una determina instantáneamente el de la otra, sin importar la distancia que las separe. Una analogía sencilla es la de un par de zapatos: si se identifica uno como izquierdo, automáticamente se sabe que el otro es derecho, aunque esté al otro lado del universo. La diferencia es que, en el mundo cuántico, antes de medir, el estado exacto permanece en superposición.

La clave para describir este comportamiento es la función de onda, un concepto central en mecánica cuántica que contiene toda la información posible sobre el estado de una partícula. Esta permite predecir probabilidades de mediciones como posición o momento. En computación cuántica, conocer con precisión el estado cuántico generado es esencial para validar y optimizar dispositivos.

Sin embargo, determinar esa función de onda —un proceso conocido como tomografía cuántica— es extremadamente complejo, sobre todo cuando se trata de sistemas de alta dimensión con múltiples partículas entrelazadas.

El límite de la tomografía tradicional para ver fotones entrelazados

Hasta ahora, la tomografía cuántica se realizaba mediante mediciones proyectivas, un método comparable a reconstruir un objeto tridimensional observando únicamente sus sombras desde distintos ángulos. Cuantas más dimensiones tiene el sistema, más “sombras” deben registrarse, lo que implica un número creciente de mediciones.

En experimentos previos, caracterizar el estado cuántico de dos fotones entrelazados podía tardar horas o incluso días. Además, la precisión del resultado era altamente sensible al ruido experimental y a la complejidad del montaje.

Esta limitación representa un obstáculo importante para la escalabilidad de tecnologías cuánticas. A medida que los sistemas crecen en complejidad —como ocurre en los ordenadores cuánticos— la caracterización eficiente de los estados se vuelve un desafío crítico.

Holografía cuántica y cámaras ultrarrápidas

El equipo liderado por Ebrahim Karimi adaptó un concepto conocido en óptica clásica: la holografía digital. En lugar de múltiples mediciones independientes, esta técnica permite reconstruir información tridimensional a partir de un único patrón de interferencia.

Para aplicarlo al caso de dos fotones, los investigadores superpusieron el estado cuántico desconocido con uno de referencia bien caracterizado. Luego analizaron la distribución espacial de los puntos donde ambos fotones llegaban simultáneamente a un detector, lo que se conoce como imagen de coincidencia.

Según la mecánica cuántica, no es posible distinguir si los fotones provienen de la fuente de referencia o de la fuente desconocida. Esta indistinguibilidad genera un patrón de interferencia que contiene la información necesaria para reconstruir la función de onda completa.

El experimento fue posible gracias a una cámara avanzada capaz de registrar eventos con resolución de nanosegundos en cada píxel. El resultado: un método exponencialmente más rápido, capaz de reducir procesos que antes tomaban días a apenas minutos o segundos, sin que el tiempo de detección dependa de la complejidad del sistema.

Este avance no solo resuelve un desafío técnico en la tomografía cuántica, sino que abre nuevas posibilidades en computación cuántica, comunicaciones seguras e imágenes cuánticas avanzadas. Visualizar la “danza” del entrelazamiento en tiempo real podría convertirse en una herramienta clave para la próxima generación de tecnologías cuánticas.

Referencia:

• Nature Photonics/Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states. Link