Durante décadas hubo una pieza que parecía prácticamente inseparable de los experimentos de óptica cuántica: el láser. Su luz intensa, ordenada y extremadamente coherente ofrecía justo las condiciones que los científicos creían necesarias para producir estados cuánticos complejos.
Ahora resulta que el Sol también puede hacerlo.
Un equipo del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz y la Universidad de Ottawa consiguió utilizar luz solar natural para generar pares de fotones entrelazados, algo que no se había demostrado hasta ahora. Y no lo hizo con un resultado marginal: los investigadores alcanzaron una fidelidad del 93,9% respecto a un estado de Bell ideal, muy cerca de lo obtenido mediante sistemas basados en láser.
El problema era que la luz del Sol parecía demasiado caótica
El entrelazamiento cuántico permite que dos partículas mantengan correlaciones imposibles de explicar mediante la física clásica. Es uno de los recursos fundamentales de tecnologías como la comunicación cuántica, la computación y los sensores de enorme precisión.
Una forma habitual de producir fotones entrelazados es la llamada conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC). En términos sencillos, un haz de luz incide sobre un cristal ópticamente no lineal y algunos de sus fotones terminan dando lugar a parejas de fotones con propiedades cuánticas correlacionadas.
Hasta ahora, el haz de bombeo solía proceder de un láser. Y tenía sentido. Mientras un láser produce luz enormemente coherente, la radiación solar llega con múltiples longitudes de onda, direcciones y relaciones de fase. Además, su densidad de potencia es mucho menor. Era justo el tipo de luz que parecía inadecuado para un experimento de este tipo.
La clave estuvo en demostrar que esa incoherencia no tiene por qué destruir el entrelazamiento si se mantienen separados los distintos grados de libertad de la luz. En este caso, los científicos generaron el entrelazamiento en la polarización.
Concentraron 1,4 metros cuadrados de Sol en una fibra tan fina como un cabello
Para conseguir suficiente potencia apareció otro problema: meter una enorme cantidad de radiación solar en un cristal cuyo área útil mide apenas unos milímetros.
El equipo construyó para ello un sistema bastante espectacular. Una gran lente de Fresnel montada sobre un mecanismo que sigue al Sol recoge luz procedente de aproximadamente 1,4 metros cuadrados. Después, esa radiación entra en un concentrador de vidrio con forma de cono desarrollado por el propio Max Planck Institute. Mediante reflexiones internas, la luz queda cada vez más concentrada hasta introducirse en una fibra óptica comparable en grosor a un cabello humano.
Desde allí llega finalmente al cristal encargado de producir los pares de fotones.
Los resultados fueron mucho más contundentes de lo esperado. Además del 93,9% de fidelidad, el estado producido alcanzó un valor de 2,5408 en la desigualdad de Bell, superando el límite clásico de 2 y confirmando el carácter cuántico de las correlaciones observadas. La tasa de generación normalizada llegó además a unos 1.600 pares de fotones por segundo y por milivatio, comparable con la obtenida mediante láser cuando se ajusta por el ancho de banda.
Y el lugar donde esto podría importar más está fuera de la Tierra
El avance no significa que mañana vayamos a sustituir todos los láseres cuánticos por ventanas orientadas al Sol. El sistema sigue siendo experimental y requiere óptica especializada, seguimiento solar y un cristal no lineal. Pero elimina una suposición importante: un láser no es fundamentalmente imprescindible para generar este tipo de entrelazamiento.
Eso puede resultar especialmente interesante en lugares donde cada vatio y cada componente cuentan. Los propios investigadores mencionan aplicaciones en regiones remotas, satélites y futuras misiones interplanetarias, donde la luz solar es abundante y reducir sistemas láser, electrónica de potencia, refrigeración y componentes susceptibles de fallar podría convertirse en una ventaja considerable.
El trabajo, publicado en Optica, plantea además que el principio podría extenderse a otros procesos ópticos no lineales.
Después de décadas utilizando fuentes de luz cuidadosamente fabricadas para obligar a la materia a comportarse de forma cuántica, el experimento deja una posibilidad fascinante: una de las fuentes más antiguas, enormes y aparentemente caóticas que tenemos delante llevaba todo este tiempo siendo capaz de hacerlo también.
