No es magia, sino ciencia: China crea una superficie ultrafina que controla la luz en dos haces distintos a la vez

Un grupo de investigadores en China ha logrado diseñar una superficie ultrafina capaz de manipular la luz de una forma que, hasta hace muy poco, resultaba físicamente imposible en un dispositivo de estas dimensiones. De esta forma, ahora un solo elemento óptico genera y dirige dos haces distintos de partículas de manera simultánea.

Basados en una investigación publicada en Science Daily, los científicos de la Universidad de Nanjing y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China han superado una barrera histórica en la ingeniería cuántica gracias al uso de metasuperficies, unas estructuras que miden apenas unas décimas de milímetro, pero que actúan como circuitos ópticos.

¿Cómo controla China la luz con esta superficie ultrafina?

La combinación de la física cuántica y unas nanoestructuras de silicio han permitido el entrelazamiento de fotones mediante interferencia. De esta forma, el dispositivo utiliza unos pilares de escala nanométrica dispuestos sobre un vidrio para dividir la luz en múltiples rutas de salida.

Según explican los autores Ruwen Peng y Mu Wang, cuando dos fotones con diferentes polarizaciones atraviesan esta superficie ultrafina, emergen entrelazados sin necesidad de usar los voluminosos equipos ópticos tradicionales. Esta tecnología elimina la dependencia de espejos y lentes de gran tamaño que suelen ocupar laboratorios enteros. Al pasar por la estructura, los haces de luz se transforman gracias a un fenómeno de interferencia cuántica.

En las pruebas realizadas, los expertos confirmaron que siete rutas de salida pueden generar hasta 21 pares de fotones entrelazados. Esto significa que un solo componente pasivo desempeña el trabajo de toda una red de dispositivos complejos, lo que simplifica drásticamente el hardware necesario para el futuro internet cuántico.

La ciencia detrás del control de los haces de luz

Los físicos chinos llevan años perfeccionando el diseño de estas metasuperficies. Basados en datos de una publicación de PhotoniX, el sistema emplea lo que denominan fases geométricas híbridas. Esta técnica permite que la luz con diferentes giros o estados de polarización se comporte de manera independiente. Es decir, pueden enfocar o desviar un haz sin que este afecte en absoluto al otro, manteniendo la nitidez en una amplia gama de colores.

Eso sí, la fabricación requiere una precisión milimétrica, ya que cada nanocubo de silicio tiene un tamaño de entre 100 y 325 nanómetros. Al incidir la luz sobre ellos, la superficie actúa como una placa de ondas en miniatura. Este control sobre la dispersión evita las aberraciones cromáticas que suelen degradar la señal en sistemas ópticos convencionales.

Lo que dicen los científicos a cargo de este descubrimiento

«Este trabajo surgió de un desafío de larga data en la tecnología cuántica: la búsqueda de construir una Internet cuántica que pueda conectar de manera confiable a muchos usuarios», explicaron Ruwen Peng y Mu Wang a Phys.org.

«Al igual que el Internet actual depende de la luz que viaja a través de fibras ópticas, una Internet cuántica futura dependerá de pares de fotones entrelazados (partículas de luz cuyas propiedades permanecen vinculadas incluso cuando están muy separadas). Estos fotones entrelazados son esenciales para tareas como la teletransportación cuántica, la comunicación segura y la computación cuántica distribuida», detallaron.

Como parte de su objetivo, Peng y Wang dijeron que querían «encontrar una forma mucho más simple y compacta de generar y distribuir entrelazamiento, idealmente utilizando un único elemento óptico pasivo».

«Estamos avanzando hacia módulos de entrelazamiento estandarizados a escala de chip que pueden fabricarse, integrarse e implementarse, de forma muy similar a los componentes fotónicos clásicos actuales», advierten los científicos.

Aplicaciones futuras, según los expertos

«Una dirección para la investigación futura será el desarrollo de una fuente de fotones entrelazados portátil y plug-and-play, como una especie de ‘navaja suiza’ para sistemas de información cuántica. Un dispositivo de este tipo podría proporcionar un módulo de entrelazamiento estandarizado que pueda integrarse en una amplia gama de aplicaciones, desde comunicaciones seguras y redes cuánticas hasta detección y metrología».

Según Phys, en sus próximos estudios, los investigadores Peng y Wang intentarán «mejorar las capacidades de generación de entrelazamiento de su metasuperficie en un chip fotónico para soportar el enrutamiento». De esta forma facilitarían aún más su futura fabricación y comercialización, lo que aumentaría el potencial para la realización de redes cuánticas a gran escala.