Uno de los grandes desafíos de la computación cuántica basada en luz ha sido lograr un flujo constante y confiable de fotones individuales. Estos pequeños paquetes de luz son fundamentales para las operaciones cuánticas, ya que actúan como qubits, las unidades de información en los sistemas cuánticos. Sin embargo, mantener un suministro ordenado de estos fotones no ha sido tarea fácil.
Cuando se utiliza un láser para estimular un átomo con el fin de emitir un fotón, el sistema puede producir emisiones adicionales no deseadas. Es como si se pidiera una taza de café y la máquina sirviera varias a la vez, derramando líquido por todos lados. Esa redundancia provoca que el circuito óptico pierda precisión y eficiencia.
Fotones desalineados: un problema de fidelidad
La situación se complica aún más cuando, en raras ocasiones, un átomo emite más de un fotón. Esta emisión múltiple compromete la fidelidad del sistema, porque interrumpe el orden en la secuencia de fotones. Imaginemos una fila de niños caminando en orden hacia la salida de una escuela: si uno de ellos empieza a correr o trae a un amigo sin aviso, se rompe la organización y la confusión es inevitable.
Una solución inesperada: aprovechar el ruido del láser
Investigadores de la Universidad de Iowa encontraron una manera elegante de resolver este problema, y lo más interesante es que lo hicieron aprovechando lo que antes se consideraba una molestia: el ruido del láser. Al estudiar el espectro de luz que emiten los átomos cuando generan varios fotones, descubrieron que este espectro es casi idéntico al del láser que los excita.
Esto significa que los dos pueden combinarse de forma tal que se anulen mutuamente, como dos olas que chocan y desaparecen. Al afinar cuidadosamente el ángulo, forma y características del haz de luz, es posible cancelar esas emisiones no deseadas y obtener un flujo limpio de fotones individuales.
De problema a herramienta
Este enfoque, propuesto teóricamente por Matthew Nelson y Ravitej Uppu, convierte un inconveniente en una solución. La técnica, explican los autores, no solo mejora la pureza del flujo de fotones, sino que también simplifica el diseño de los circuitos ópticos cuánticos. Es como si, en lugar de luchar contra el ruido de fondo en una grabación, lográramos usar ese ruido para cancelar otros sonidos indeseados, dejando una pista de audio impecable.
Implicaciones para la computación y comunicaciones cuánticas
La capacidad de generar una corriente de fotones puros tiene un impacto directo en el desarrollo de computadoras cuánticas fotónicas y redes de comunicación seguras. Cuantos menos errores haya en la transmisión de datos cuánticos, más confiables y escalables serán estos sistemas. Además, un flujo ordenado de fotones reduce significativamente el riesgo de espionaje o intervención, ya que la estructura de la información se mantiene intacta y predecible.
Empresas emergentes que trabajan en computación cuántica ya han mostrado interés en los sistemas fotónicos por su capacidad de operar a temperaturas ambiente y su potencial de integrarse en infraestructuras ópticas ya existentes. Este avance podría acelerar su adopción.
Próximos pasos: llevar la teoría al laboratorio
Aunque los resultados obtenidos hasta ahora son teóricos, los investigadores planean realizar pruebas experimentales en breve. Validar estas predicciones en el laboratorio será fundamental para convertir este descubrimiento en una herramienta aplicable. Si logran replicar los resultados con átomos reales y haces de láser controlados, podrían sentar las bases para una nueva generación de fuentes de fotones individuales confiables.
El estudio, publicado en la revista Optica Quantum, ofrece una perspectiva novedosa sobre cómo manejar los retos de la tecnología cuántica no solo evitando errores, sino usándolos a favor. La investigación forma parte del creciente esfuerzo global por optimizar la fotónica cuántica, un campo en plena efervescencia que promete transformar la informática, la criptografía y la transmisión de datos.