Experimento de tipo Bell con imágenes «fantasma»

Una imagen «fantasma» (ghost image) se obtiene con dos fotones entrelazados, uno que se refleja en un objeto y otro que no entra en contacto directo con dicho objeto (de ahí lo de «fantasma»). La imagen del objeto requiere combinar ambos fotones usando un detector de coincidencias, ya que por separado solo ofrecen ruido. Se publica en Science Advances el primer experimento de tipo Bell con imágenes «fantasma». En dicho experimento se incumplen las desigualdades CHSH con S = 2.44 ± 0.04 (donde S ≤ 2 para una teoría local de variables ocultas). Por supuesto, el experimento no está libre de lagunas (loopholes), que futuras realizaciones tendrán que resolver. Se auguran aplicaciones en el procesado de imágenes con técnicas de información cuántica.

El servicio de prensa de la Universidad de Glasgow, a la que pertenecen los autores, liderados por Paul-Antoine Moreau, titula que se ha obtenido la «primera imagen del entrelazamiento cuántico». No me parece un titular acertado, aunque la fuente citada es el propio Moreau. La imagen «fantasma» se lleva usando desde 2008 usando estados entrelazados, es decir, estados que no se pueden separar o descomponer en un producto de otros estados. La novedad del nuevo trabajo es que se han usado fotones entrelazadas en polarización en un haz helicoidal con momento angular orbital (OAM). El momento angular orbital por fotón, ℓ ℏ, tiene su origen en la estructura espacial de la fase exp (i ℓ ϕ) de un haz helicoidal de fotones. Los fotones del haz se entrelazan en polarización por el método estándar, la fluorescencia paramétrica, también llamada «conversión paramétrica hacia abajo espontánea» (spontaneous parametric down-conversion, o SPDC). El haz se pasa por un filtro de fase que le dota de OAM. Por lo demás, el experimento es muy similar a los ya realizados con imágenes «fantasmas».

El artículo es Paul-Antoine Moreau, Ermes Toninelli, …, Miles J. Padgett, «Imaging Bell-type nonlocal behavior,» Science Advances 5: eaaw2563 (12 Jul 2019), doi: 10.1126/sciadv.aaw2563; más información divulgativa en «Scientists unveil the first-ever image of quantum entanglement,» University of Glasgow, Phys.org, 13 Jul 2019. En este blog recomiendo leer «La producción de pares de fotones entrelazados», LCMF, 10 ene 2013; «Imágenes «fantasmas» utilizando el entrelazamiento entre fotones», LCMF, 7 julio, 2013.

La luz de un láser a 355 nm incide sobre un cristal no lineal de borato de bario beta (BBO por β-BaB2O4) que genera parejas de fotones entrelazados a 710 nm por SPDC. Se separa el haz de fotones en dos haces (beam splitter, BS) por brazos perpendiculares. El primer haz se hace pasar por un modulador espacial de la luz (spatial light modulator, SLM 1), que lo dota de OAM, para ser enviado a una fibra óptico monomodo (SMF) antes de su detección con un fotodiodo (single-photon avalanche diode o SPAD). El segundo haz se hace pasar por otro filtro modulador espacial (SLM 2) que cambia su fase en un valor fijo (un salto brusco de 0 a π grados orientado con un ángulo espacial transversal de 0, 45, 90, o 135 grados); tras ello se hace pasar por una línea de retraso de ~20 m, tras la cual se dirige al SPAD vía una cámara ICCD (intensified charge-coupled device). Gracias al retraso los fotones entrelazados originales coinciden en el detector SPAD para reconstruir la imagen.

Las cuatro imágenes «fantasma» del haz modulado en sendas fases con OAM (ℓ = ± 1) muestran correlaciones (entre las parejas de imágenes con ℓ = +1 y ℓ = − 1) permiten realizar el experimento de tipo Bell usando la desigualdad CHSH (Clauser–Horne–Shimony–Holt). A los interesados en los cálculos detallados les remito al artículo en Science Advances que es de acceso gratuito (open access). Por supuesto, el experimento no está libre de lagunas (loopholes), siendo la más significativa la de detección (la eficiencia de detección de la cámara ICCD es de ∼10% y la del detector SPAD es de ∼50%) y la de elección libre (también llamada «libre albedrío»). Futuras implementaciones tendrán por objeto resolver estas lagunas.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 14 julio, 2019
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