Inventada en 1970 por Corning Incorporated, la fibra óptica de baja pérdida se convirtió en el mejor medio para transportar información de manera eficiente de un lugar a otro a largas distancias sin pérdida de información. La forma más común de transmisión de datos hoy en día es a través de fibras ópticas convencionales: un solo canal central transmite la información. Sin embargo, con el aumento exponencial de la generación de datos, estos sistemas están alcanzando límites de capacidad de transporte de información. Por lo tanto, la investigación ahora se enfoca en encontrar nuevas formas de utilizar todo el potencial de las fibras mediante el examen de su estructura interna y la aplicación de nuevos enfoques para la generación y transmisión de señales. Además, las aplicaciones en tecnología cuántica se habilitan al extender esta investigación de la luz clásica a la cuántica.

A finales de los años 50, el físico Philip W. Anderson (quien también hizo importantes contribuciones a la física de partículas y la superconductividad) predijo lo que ahora se llama localización de Anderson. Por este descubrimiento, recibió el Premio Nobel de Física de 1977. Anderson mostró teóricamente bajo qué condiciones un electrón en un sistema desordenado puede moverse libremente a través del sistema como un todo o estar atado a una posición específica como un «electrón localizado». Este sistema desordenado puede ser, por ejemplo, un semiconductor con impurezas.

Posteriormente, se aplicó el mismo enfoque teórico a una variedad de sistemas desordenados, y se dedujo que también la luz podía experimentar la localización de Anderson. Experimentos en el pasado han demostrado la localización de Anderson en fibras ópticas, realizando el confinamiento o la localización de la luz (luz clásica o convencional) en dos dimensiones mientras se propaga a través de la tercera dimensión. Si bien estos experimentos habían mostrado resultados exitosos con luz clásica, hasta ahora nadie había probado tales sistemas con luz cuántica, luz que consiste en estados cuánticos correlacionados. Es decir, hasta hace poco.

En un estudio publicado en Communications Physics, los investigadores de ICFO Alexander Demuth, Robing Camphausen, Alvaro Cuevas, dirigidos por ICREA Prof en ICFO Valerio Pruneri, en colaboración con Nick Borrelli, Thomas Seward, Lisa Lamberson y Karl W. Koch de Corning. han podido demostrar con éxito el transporte de estados cuánticos de luz de dos fotones a través de una fibra óptica de localización de Anderson (PSF) con separación de fases.

Una fibra óptica convencional frente a una fibra de localización de Anderson

A diferencia de las fibras ópticas monomodo convencionales, donde los datos se transmiten a través de un solo núcleo, una fibra de fase separada (PSF) o fibra de localización Anderson de fase separada está hecha de muchos hilos de vidrio incrustados en una matriz de vidrio de dos índices de refracción diferentes. Durante su fabricación, a medida que el vidrio de borosilicato se calienta y se funde, se convierte en una fibra, donde una de las dos fases de diferentes índices de refracción tiende a formar hilos de vidrio alargados. Dado que hay dos índices de refracción dentro del material, esto genera lo que se conoce como un desorden lateral, que conduce a la localización transversal (2D) de Anderson de la luz en el material.

Expertos en la fabricación de fibra óptica, Corning creó una fibra óptica que puede propagar múltiples haces ópticos en una sola fibra óptica aprovechando la localización de Anderson. A diferencia de los haces de fibra multinúcleo, esta PSF demostró ser muy adecuada para este tipo de experimentos, ya que muchos haces ópticos paralelos pueden propagarse a través de la fibra con un espacio mínimo entre ellos.

El equipo de científicos, expertos en comunicaciones cuánticas, quería transportar la información cuántica de la forma más eficiente posible a través de la fibra óptica de fase separada de Corning. En el experimento, el PSF conecta un transmisor y un receptor. El transmisor es una fuente de luz cuántica (construida por ICFO). La fuente genera pares de fotones correlacionados cuánticamente a través de la conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) en un cristal no lineal, donde un fotón de alta energía se convierte en pares de fotones, que tienen menos energía cada uno. Los pares de fotones de baja energía tienen una longitud de onda de 810 nm. Debido a la conservación del impulso, surge la anticorrelación espacial. El receptor es una cámara de matriz de diodos de avalancha de fotón único (SPAD), desarrollada por Polimi y MPD. La cámara de matriz SPAD, a diferencia de las cámaras CMOS comunes, es tan sensible que puede detectar fotones individuales con un ruido extremadamente bajo; también tiene una resolución temporal muy alta, de modo que la hora de llegada de los fotones individuales se conoce con gran precisión.

luz cuántica

El equipo de ICFO diseñó la configuración óptica para enviar la luz cuántica a través de la fibra de localización de Anderson con separación de fases y detectó su llegada con la cámara de matriz SPAD. La matriz SPAD les permitió no solo detectar los pares de fotones, sino también identificarlos como pares, ya que llegan al mismo tiempo (coincidentes). Como los pares están correlacionados cuánticamente, saber dónde se detecta uno de los dos fotones nos indica la ubicación del otro fotón. El equipo verificó esta correlación justo antes y después de enviar la luz cuántica a través de PSF, demostrando con éxito que la anticorrelación espacial de los fotones se mantuvo.

Después de esta demostración, el equipo de ICFO se dispuso a mostrar cómo mejorar sus resultados en el trabajo futuro. Para ello, realizaron un análisis de escalado, con el fin de averiguar la distribución de tamaño óptima de las hebras de vidrio alargadas para la longitud de onda de la luz cuántica de 810 nm. Tras un exhaustivo análisis con luz clásica, pudieron identificar las limitaciones actuales de la fibra con separación de fases y proponer mejoras en su fabricación, con el fin de minimizar la atenuación y la pérdida de resolución durante el transporte.

Los resultados de este estudio han demostrado que este enfoque es potencialmente atractivo para procesos de fabricación escalables en aplicaciones del mundo real en imágenes cuánticas o comunicaciones cuánticas, especialmente para los campos de endoscopia de alta resolución, distribución de entrelazamiento y distribución de clave cuántica.