Los fotones únicos son ideales para enviar datos digitales si se codifican como un 1 o un 0. La intuición dicta que esa sería la única información que contendría cada fotón único. ¡Pero no! En teoría, no hay límite para la cantidad de información que un único fotón puede codificar.

Y eso suscita una pregunta interesante. ¿Cuánta información se puede introducir en un único fotón? ¿Hasta dónde llega la tecnología actual?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo del investigador de la Universidad de Twente (Holanda) Tristan Tentrup y sus compañeros. El equipo ha logrado introducir más de 10 bits en un único fotón por primera vez.

Su método, en teoría, es sencillo. Consiste en asociar un fotón con un símbolo de un alfabeto. Cuando el alfabeto contiene muchos símbolos, el fotón porta mucha información. Cuando un alfabeto contiene sólo dos símbolos, como el código binario, cada uno emite un bit de información. Esta es la cantidad de información requerida para describir cada unidad del alfabeto.

Pero cuando el alfabeto es más grande, como español, que tiene 27 símbolos, hace falta más información para describir a cada uno de forma única. Así, cada símbolo puede codificar esa cantidad de datos.

La cantidad real de información está definida por el logaritmo en base 2 del número de símbolos. Por ejemplo, en un alfabeto de 10 símbolos, como el código decimal, cada uno codifica alrededor de 3,3 bits. En un alfabeto de 26 símbolos, como el alfabeto inglés, cada uno codifica 4,7 bits, y así sucesivamente.

El equipo de Tentrup logró su objetivo al crear un alfabeto con 9.072 símbolos. En ese caso, cada uno codifica más de 13 bits de información.

Generar este alfabeto fue sencillo. El equipo de Tentrup definió una retícula de píxeles de 112 x 81, que suman 9.072. Cada píxel representa un símbolo distinto del alfabeto. Para codificar un fotón con uno de estos símbolos, lo único que tuvieron que hacer fue enfocar el fotón hacia esa parte de la retícua. Así que cuando un píxel determinado registra la llegada de un fotón, codifica ese símbolo.

Lo complicado consiste en hacerlo de forma precisa precisa en fotones individuales. Una manera de dirigir los fotones es con un espejo orientable que simplemente los refleja en una dirección determinada y controlable. Pero el equipo de Tentrup empleó un dispositivo más flexible, un modulador de luz espacial que modifica la frente de onda del fotón al reflejarlo. Esto emplea efectos de difracción para dirigir el fotón hacia su objetivo.

Detectar fotones también puede ser delicado, puesto que cualquier luz secundaria puede ahogar la señal. El equipo de Tentrup tiene un hábil truco para impedirlo. En lugar de generar fotones únicos, los genera en pares y solo codifica uno de ellos con este mecanismo de dirección. Buscan a su pareja como señal de que el primero está a punto de llegar al píxel.

Eso les permite activar el pixel en el mismo instante en el que llega el primer protón. Y esto reduce dramáticamente las probabilidades de que un protón extraviado ahogue la señal. Sin embargo, el ruido aún tiene un impacto y los protones acaban portando ligeramente menos información que el máximo teórico.

Aún así, los resultados son impresionantes. Tentrup afirma: "Democratizamos una codificación de alta dimensión de fotones que alcanza los 10,5 bits por fotón". Eso supera el anterior récord de tan sólo siete bits por fotón y revela que se podrían codificar aún más datos al aumentar el tamaño de la retícula.

El trabajo tiene aplicaciones inmediatas. Los físicos ya emplean datos codificados en fotones para distribuir llaves en criptografía cuántica.

Esta información actualmente está codificada en protones únicos que emplean el código binario de 0 y 1. Pero la nueva técnica permite a cada fotón portar un orden de magnitud más. "Una dirección muy prometedora para este trabajo sería la implementación de un gran alfabeto para la distribución de llaves cuánticas", escribe el equipo de Tentrup.

Puede, por tanto, que no tengamos que esperar mucho para poder observar esta tecnología rompe récords en acción.

Ref: http://arxiv.org/abs/1609.04200: Transmitting More Than 10 Bit with a Single Photon