Un nuevo modo de contar fotones

“Eso no es lo que quise decir”: la comunicación humana está plagada de malentendidos. Escritas a mano, las palabras y las cartas pueden ser malinterpretadas. Un trabajador de telégrafos puede confundir un punto por un guión. Ese tipo de ruido siempre nos acompañará, pero por lo menos un nuevo dispositivo del Joint Quantum Institute (JQI) ha establecido un nuevo estándar para la lectura de la información cuántica con un mínimo de incertidumbre.

El éxito ha venido observando pulsos de luz no con un solo detector pasivo sino con una red de adaptación de detectores con retroalimentación. El trabajo se basa en un protocolo fotónico más seguro que fue dirigido por Francisco Becerra y realizado en el JQI por Alan Migdall. Sus resultados aparecen en Nature Photonics. Estas son algunas cosas necesarias para apreciar este desarrollo.

Los datos digitales, en su forma más simple, se pueden leer con un proceso llamado “clave on-off”, en el cual un detector localiza la intensidad de las ráfagas entrantes de electrones en fotones a través de cables o fibras y asigna un valor de 0 o 1. Un enfoque más sofisticado para modular una señal (no tan simple como apagado/encendido) es codificar datos en la fase del pulso. En “manipulación por desplazamiento de fase”, la información está codificada en la cantidad de desplazamiento de fase impuesta sobre una onda portadora, la fase de la onda es la distancia a lo largo del ciclo de onda que resulta ser (por ejemplo, en la parte superior de una cresta o la parte inferior de un canal en una sinusoidal).

Grandes palabras pueden ser ensambladas a partir de un pequeño conjunto de símbolos. El alfabeto latino tiene 26 letras, el griego 24. La lógica binaria, y la mayoría de los transistores, se forman con sólo un alfabeto de dos letras. Un 0 o un 1, y mayores números y letras y las palabras son ensambladas a partir de tantos bits binarios como sean necesarios. Pero ¿y si ampliamos el alfabeto de dos a cuatro? Usando la lógica cuaternario se pueden transportar más datos en un solo pulso. El costo de este aumento es tener que escribir y leer 4 estados de modulación (o 4 símbolos). Incluso sería más eficiente en términos de empaquetado de  datos, pero correspondientemente más difícil de implementar, la lógica basada en 6 estados, u 8, o cualquier número superior. Los datos digitales en su forma más básica (en el nivel de transistor) permanecen en forma binaria, pero para la comunicación de estos datos, el aumento en el número del alfabeto se puede utilizar. De hecho, la alta definición en televisión ya involucra esta lógica de alto nivel.

No importa qué tipo de lógica se utilice, los errores siguen ahí. Un detector no sólo mide inequívocamente un 0 o un 1. El proceso de lectura es imperfecto. Y lo que es peor, el estado del pulso de luz es inherentemente incierto, y eso es un verdadero problema cuando los pulsos de luz pertenecen a un conjunto de estados superpuestos.

La medición de la fase de un pulso de luz se representa, donde sólo hay dos opciones. ¿Está el pulso en el estado alfa o es un estado alfa en sí mismo? Debido a que los restos se superponen hay una ligera ambigüedad que lleva a la incertidumbre. Cuatro estados posibles se representan en un gráfico de número complejo (con reales (Re) e imaginaria (Im) ejes). A continuación, la superposición de los estados es más complicada, pero da lugar a ambigüedades similares de los estados medidos, vistos en su mayoría cerca de los bordes (líneas umbral de decisión) entre los estados.

Hace décadas, la teoría de comunicaciones establecido una incertidumbre mínima para la transmisión precisa y la detección de información codificada en estados superpuestos. El error hipotético de detección mínima, con esquemas convencionales, se denomina límite cuántico estándar y depende de cosas como cuántos fotones de luz constituyen la señal, el número de niveles (binarios, cuaternarios, etc) que deben ser leídos, y de que propiedad física de luz se utilice para codificar la información, como la fase.

Pero a partir de la década de 1970 junto al físico Carl W. Helstrom, algunos científicos consideraron que la norma del límite cuántico podría ser evitada. Los investigadores del JQI hicieron exactamente esto no usando una solo foto-detector pasivo, sino un proceso de detección activa que implica una serie de etapas. En cada etapa, la señal de luz actual logra un espejo parcialmente plateado, que se desprende una fracción del pulso para el análisis y el resto pasa a las etapas posteriores. En cada etapa la señal se combina con una onda de referencia oscilador separada utilizada como referencia de fase contra el que se determina la fase de la señal. Esto se realiza por desplazamiento de la onda de referencia una cantidad conocida y dejando que se interfiera con la onda de la señal en el divisor de haz. Mediante la alteración de ese cambio conocido, el patrón de interferencia puede revelar algo acerca de la fase del pulso de entrada.

Mediante la combinación de muchas de estas etapas  y utilizando la información obtenida por las etapas anteriores para ajustar la fase de la onda de referencia en etapas sucesivas, se puede obtener una mejor estimación de la fase de la señal.

Mediante la detección de fase de esta forma adaptativa, y aplicada de una manera realimentada, el sistema del JQI es capaz de vencer a la norma de límite cuántico de un conjunto de 4 estados (cuaternario) que codifica la información como una fase. Estos estados se representan como distribuciones difusas dispuestas en ángulos diferentes alrededor de un círculo cuando los ángulos representan la fase de los pulsos de luz.

Las probabilidades de error de medición para el sistema  están muy por debajo del límite cuántico,  aproximadamente 6 decibelios en el centro de la curva. Esto es equivalente a decir que el receptor JQI funciona mejor que el SQL por un factor de aproximadamente 4 en la determinación de la fase de una señal entrante. Es decir, el receptor JQI logra una probabilidad de error que es 4 veces menor que el estándar límite cuántico.

Para concluir, el receptor JQI de fotones cuenta con una tasa de error cuatro veces menor que los receptores convencionales, en un amplio intervalo de número de fotones, y con la discriminación de cuatro estados. La mejor detección anterior por debajo del límite cuántico era de un rango muy estrecho de fotones y con sólo un protocolo de 2 estados y sólo ligeramente por debajo del SQL.

Enlace original: A new phase in reading photons