Las fuentes de luz no-clásica, investigación de punta en la UNAM

 
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17 de agosto del 2011

Karina Garay Palmett, investigadora posdoctoral del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM.
Karina Garay Palmett, investigadora posdoctoral del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM.

• En su tesis doctoral, Karina Garay Palmett, del ICN, trabajó en el diseño para implementar protocolos de procesamiento de información cuántica, denominadas fuentes de luz no-clásica
• Con el trabajo “Propiedades de enlazamiento espectral de parejas de fotones generadas por mezclado de cuatro ondas espontáneo en fibra óptica”, obtuvo el Premio Weizmann 2010, en el área de Ciencias Exactas

Un área de investigación de punta es el procesamiento y transmisión de información cuántica, que en un futuro próximo permitirá contar con cómputo cuántico, que ofrece una capacidad de procesamiento mucho mayor, comparada con las versiones clásicas que se usan en la actualidad.

Pero también implica el desarrollo de tecnologías como comunicación cuántica, criptografía cuántica (encriptación de información), metrología cuántica (mediciones más precisas), y versiones cuánticas de sistemas para diagnóstico médico (tomografía de mayor resolución).

En su tesis doctoral, Karina Garay Palmett, investigadora posdoctoral del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN), trabajó en el diseño de fuentes de luz que se necesitan para implementar protocolos de procesamiento de información cuántica. Denominadas fuentes de luz no-clásica, no pueden ser descritas por la mecánica clásica, dado que exhiben propiedades que sólo pueden explicarse a partir de los principios de la mecánica cuántica.

El trabajo “Propiedades de enlazamiento espectral de parejas de fotones generadas por mezclado de cuatro ondas espontáneo en fibra óptica”, ganador del Premio Weizmann 2010 en el área de Ciencias Exactas, que otorga la Academia Mexicana de Ciencias y la Asociación Mexicana de Amigos del Instituto Weizmann de Ciencias, fue un estudio teórico, pero “pensado en el experimento”.

A partir de sus resultados, varios grupos de investigación alrededor del mundo, en universidades prestigiosas como Oxford y Bristol, y el Instituto Max Planck, ya han desarrollado experimentalmente estas fuentes en sus laboratorios.

Ello significa que la labor realizada en México se ha podido aplicar en instituciones internacionales importantes, y “estamos en camino de ser precursores en diversos aspectos del área, lo que sería muy importante para la economía del país”, dijo Garay Palmett.

El laboratorio de óptica cuántica del ICN ya cuenta con la infraestructura necesaria para el desarrollo de fuentes de luz no-clásica, y está en vías de consolidarse como uno de los más completos de la nación, lo que permite generar publicaciones experimentales competitivas, sin embargo, considera que aún son pocos los científicos mexicanos dedicados a este campo, y un grupo significativo de ellos está en la UNAM.

Karina Garay, egresada del posgrado en Óptica del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California, reiteró que lo relativo a procesamiento de este tipo de información es relevante por el desarrollo de tecnologías que se tendrán a largo plazo, por ejemplo, computación y criptografía cuántica.

La tesis

En el ICN, en el grupo de trabajo dirigido por Alfred U´Ren –quien contribuyó de manera significativa en la tesis por la que la científica de origen colombiano recibió el premio–, Garay continúa con la línea de investigación que inició en el doctorado: encontrar las condiciones físicas apropiadas para implementar fuentes de luz no-clásica, específicamente de parejas de fotones, con propiedades de enredamiento acondicionadas para su aplicación en procesamiento de información cuántica.

Parejas de fotones pueden ser generadas en medios ópticos no-lineales -cristales o fibras ópticas-, como resultado de la interacción luz-materia. Al iluminar el medio óptico con un haz de luz de intensidad suficiente para excitar efectos no-lineales -un láser-, algunos de los fotones del haz de bombeo decaen espontáneamente en una pareja de fotones.

Dado que el proceso de generación se manifiesta siempre que se cumplan las condiciones de conservación de energía y momento, los fotones de un par -comúnmente denominados señal y acompañante- no son independientes, sino que en general están “enredados”, explicó Garay.

Es en la propiedad de enredamiento cuántico donde se basan los protocolos de información cuántica. Los fotones señal y acompañante comparten información, aunque sean enviados en direcciones opuestas y a kilómetros de distancia, y cualquier alteración en las propiedades de uno de los dos (por ejemplo, en el fotón señal) se manifiesta simultáneamente en el otro.

Del mismo modo, “si las parejas conforman un sistema perfectamente enredado, al hacer una medición, por ejemplo, de la frecuencia del fotón señal, se puede conocer con precisión la del acompañante, sin necesidad de medirla”.

Las fuentes de parejas más ampliamente utilizadas han estado basadas en cristales –que tienen una no-linealidad de segundo orden–-, donde el mecanismo responsable es el proceso de conversión paramétrica descendente (PDC). Pero en el año 2001 se implementó la primera fuente de parejas en fibras ópticas, que constituyen un medio directamente compatible con la tecnología de telecomunicaciones existente.

En fibras, el mecanismo por el que se pueden generar parejas de fotones se conoce como mezclado de cuatro ondas espontáneo (SFWM). A diferencia del PDC, donde se necesita un fotón de bombeo para generar un par señal y acompañante, en SFWM –proceso no-lineal de tercer orden– se requieren dos fotones de bombeo.

Esta diferencia es importante en términos de la eficiencia del proceso. Se ha demostrado que fuentes de parejas de fotones en fibras ópticas, pueden tener una brillantez (flujo emitido por unidad de tiempo) mayor que las basadas en PDC.

Además, en fibras se puede acceder a longitudes de interacción, en principio sin límites. Los cristales son en general muy cortos, mientras que una fibra puede tener una longitud hasta de kilómetros, lo que contribuye a incrementar la brillantez. La eficiencia del proceso de generación es directamente proporcional a la longitud.

Así, es de interés generar fuentes de parejas de fotones con las propiedades de enredamiento cuántico que se requieren para la implementación de un protocolo de información cuántica particular, lo que depende en gran medida de las características de dispersión de la fibra utilizada. No obstante, las distintas aplicaciones demandan que el flujo emitido por las fuentes sea alto. La universitaria derivó condiciones en que ambos aspectos son posibles.

El estudio no se detiene ahí. “La no-linealidad de la fibra permite generar también tres fotones enredados, que pueden o no tener la misma frecuencia. En fibras el proceso que da lugar a la generación de tripletes de fotones se denomina conversión paramétrica descendente de tercer orden, y en nuestro grupo ya hicimos un análisis teórico de éste a partir del cual se han propuesto diseños que pronto podrían ser implementados experimentalmente.”

Al hablar del Premio Weizmann 2010, expuso que presentó su trabajo a iniciativa de su asesor de doctorado, Raúl Rangel Rojo, pero en un inicio no dimensionó la importancia que tendría recibir el galardón.

“Soy colombiana y no fue sino hasta llegar a la UNAM que tuve una idea más clara de lo que es la Academia Mexicana de Ciencias, institución del más alto nivel. Recibir la distinción es importante para mi carrera, es un reconocimiento a muchos esfuerzos laborales y personales, a la calidad de mi trabajo. Además, representa una satisfacción personal. Me siento muy contenta”, concluyó.

Créditos: unam.mx/boletin/2011_482

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