Nuevos avances en luz cuántica estructurada abren la puerta a comunicaciones más seguras y a computación ultrarrápida

Un equipo internacional de científicos, con participación de la UAB, ha publicado en Nature Photonics una revisión sobre un campo emergente que está transformando cómo nos comunicamos y cómo medimos y procesamos información: la luz cuántica estructurada. Se trata de una tecnología que combina información cuántica con estructuras espaciales y temporales de la luz para crear fotones con una capacidad de información sin precedentes.

Los investigadores destacan cómo la manipulación de múltiples grados de libertad de la luz, como la polarización, los modos espaciales o la frecuencia, permite generar estados cuánticos de alta dimensionalidad, en los que los ya reconocidos qbits (de dos dimensiones, con los fotones en superposición de dos estados cuánticos) pasan a ser qdits (con más de dos dimensiones). Estas propiedades abren nuevas oportunidades en varios campos. En el ámbito de las comunicaciones cuánticas, se incrementa la seguridad, ya que hay más información por cada fotón y se abre la posibilidad de tener muchos canales simultáneos de comunicación, con mayor tolerancia a errores y resistencia al ruido. En cuanto a la computación cuántica, la luz estructurada permite circuitos más simples y rápidos, con la posibilidad de crear estados para simulaciones complejas. También abre las puertas a mejoras en imagen y metrología, con técnicas de resolución mejorada (como el reciente desarrollo del microscopio cuántico holográfico, que permite obtener imágenes de muestras biológicas delicadas) y sensores ultrasensibles basados en correlaciones cuánticas. Algunas de estas herramientas ya se han implementado en chips que integran fuentes de luz que producen fotones individuales con sistemas de procesamiento óptico para generar luz cuántica estructurada. Por otro lado, la luz estructurada también permite simulaciones de sistemas cuánticos complejos para predecir, por ejemplo, la interacción entre moléculas y redes, con potencial para desarrollar nuevos materiales.

Para el investigador Adam Vallés, del Grupo de Óptica del Departamento de Física de la UAB, "estamos en un punto de inflexión: la luz cuántica estructurada ya no es solo una curiosidad científica, sino una herramienta con potencial real para transformar la comunicación, la computación y el procesamiento de imagenes". Vallés destaca el papel de la UAB como referente en este campo gracias a la alianza con el profesor Andrew Forbes, de la Facultad de Física de la Universidad de Witwatersrand, en Johannesburgo (Sudáfrica), con "avances de gran impacto internacional, como la teleportación estimulada de información cuántica codificada en altas dimensiones, el diseño de cavidades láser para generar estados complejos de gran pureza o, en el ámbito de la criptografía, la distribución de clave cuántica robusta ante obstáculos que bloquean el canal de comunicación".

La publicación, destacada como artículo de portada en Nature Photonics, es fruto de una larga colaboración del investigador del Grupo de Óptica del Departamento de Física de la UAB Adam Vallés y el grupo de investigación especializado en luz estructurada, liderado por el profesor Andrew Forbes, de la Facultad de Física de la Universidad de Witwatersrand, en Johannesburgo (Sudáfrica). Este último proyecto, finalmente publicado como artículo de revisión, ha sido posible también gracias al apoyo de la Catalonia Quantum Academy (CQA), una plataforma colaborativa coordinada por el Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) e impulsada por la Generalitat de Catalunya, que trabaja para reforzar la formación y el desarrollo de talento en ciencias y tecnologías cuánticas en la región.