• 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.
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