Un equipo internacional de investigadores ha generado por primera vez fotones entrelazados directamente a partir de la luz solar. El experimento demuestra que la falta de coherencia espacial y temporal de la radiación solar no impide producir entrelazamiento en la polarización de los fotones.

El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más sorprendentes de la física cuántica, ya que supone la unión indisoluble de dos partículas, sin que aspectos como la distancia o el tiempo puedan afectarla. Habitualmente se concreta mediante un láser de alta energía, un proceso de gran complejidad.

Ahora, investigadores de la Universidad de Ottawa, en Canadá, y del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, en Alemania, han hecho lo que algunos consideraban imposible: generar fotones entrelazados a partir de la luz solar.

El experimento demuestra que la falta de coherencia de la luz solar no impide necesariamente producir entrelazamiento cuántico. El trabajo ha sido publicado en la revista Optica.

El entrelazamiento es uno de los fenómenos más característicos de la física cuántica. Dos partículas entrelazadas presentan correlaciones que no pueden explicarse mediante la física clásica, incluso cuando las partículas se encuentran separadas.

Los fotones entrelazados son, además, un recurso fundamental para desarrollar sistemas de comunicación cuántica, computación y sensores de alta precisión, según explica Science Alert.

Hasta ahora, la vía habitual para producir estos pares de fotones consistía en utilizar un láser como fuente de bombeo. El haz se dirige hacia un cristal con propiedades ópticas no lineales y, mediante un proceso conocido como conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC), un fotón puede dar lugar a un par de fotones correlacionados.

El problema es que la luz solar es muy diferente de la emitida por un láser. El Sol proporciona una radiación espacial y temporalmente incoherente, con multitud de longitudes de onda y direcciones de propagación.

Además, su intensidad es muy inferior a la que puede concentrarse habitualmente con un láser. Durante años se consideró que estas características hacían inviable utilizar directamente la luz solar para generar entrelazamiento, de acuerdo a una nota de prensa.

La clave del nuevo experimento está precisamente en separar las distintas propiedades de la luz. Los investigadores comprobaron que la incoherencia de la luz solar no tiene por qué destruir el entrelazamiento si este se genera en un grado de libertad diferente. En este caso, el equipo se centró en la polarización, es decir, en la orientación de la oscilación del campo electromagnético de la luz.

Un experimento pionero demuestra que la radiación solar puede generar pares de fotones entrelazados con una calidad comparable a la obtenida mediante láser. / Crédito: Michal Czyz en Unsplash.

Para conseguir la intensidad necesaria, los científicos construyeron un sistema capaz de concentrar la radiación solar. Una lente de Fresnel de gran tamaño recoge la luz y la dirige hacia un concentrador de vidrio con forma de cono.

El dispositivo recoge la radiación de una superficie de aproximadamente 1,4 metros cuadrados y la concentra hasta introducirla en una fibra óptica cuyo diámetro es comparable al de un cabello humano. Desde allí, la luz llega al cristal no lineal donde se produce el proceso de generación de los fotones entrelazados.

El resultado muestra que los pares de fotones alcanzaron una fidelidad cercana al 94 % respecto a un estado idealmente entrelazado. Además, sus correlaciones llegaron a violar la desigualdad de Bell, una de las pruebas experimentales utilizadas para distinguir las correlaciones cuánticas de aquellas que podrían explicarse mediante modelos clásicos.

Las posibles aplicaciones resultan especialmente interesantes en lugares donde generar energía y mantener equipos complejos constituye un desafío.

Los satélites, por ejemplo, disponen de abundante luz solar y podrían aprovecharla para generar directamente luz cuántica sin recurrir a un láser y a buena parte de la electrónica necesaria para alimentarlo y estabilizarlo.

También se plantea su utilización en futuras misiones espaciales de larga duración y en instalaciones remotas.

El beneficio no sería únicamente energético. Al eliminar la conversión de electricidad en luz óptica se reducen las pérdidas y el calor residual, además de algunos componentes susceptibles de fallar. La amplitud del espectro solar podría incluso permitir trabajar con diferentes longitudes de onda.

Fuente: Levante - EMV