Pulsed coherent and squeezed driving of a spin-$S$ emitter as a deterministic source of Wigner-negative light

En el ámbito de la tecnología cuántica, la luz no es solo un haz que ilumina una habitación; es una herramienta delicada capaz de transportar información de formas que la física clásica no puede explicar. Para muchas aplicaciones avanzadas, como la construcción de computadoras cuánticas o la realización de mediciones ultraprecisas, los científicos necesitan luz que se comporte de una manera distintamente extraña. Este comportamiento se describe a menudo mediante un mapa matemático llamado distribución de Wigner, que actúa como un mapa topográfico del estado cuántico de la luz. En este mapa, la mayoría de la luz ordinaria, como la de un puntero láser, parece una colina suave y positiva. Sin embargo, los estados de luz cuántica más útiles poseen valles "negativos" en este mapa. Estas regiones negativas son una firma definitiva de que la luz se está comportando de una manera que es imposible para los objetos clásicos, marcándola como un recurso para la próxima generación de tecnología. El desafío siempre ha sido cómo crear estos estados negativos de manera fiable. Históricamente, los científicos han tenido que depender de la suerte, generando la luz y luego esperando que una medición confirme si funcionó, un proceso que es lento e ineficiente.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Auckland ha encontrado una forma de evitar esta dependencia del azar. Han demostrado, mediante simulaciones computacionales detalladas, que pueden generar estos valiosos estados negativos de luz bajo demanda, utilizando un método que es tanto determinista como altamente eficiente. Su enfoque consiste en disparar un pulso de luz corto y controlado hacia un emisor diminuto, un sistema similar a un átomo que puede existir en diferentes estados de energía. Al moldear cuidadosamente el pulso y el tiempo de la interacción, pueden forzar a la luz que sale del emisor a transformarse en un estado con profundos vales negativos en su mapa de Wigner. Los investigadores descubrieron que este método produce luz con un nivel de extrañeza cuántica mucho mayor de lo que era posible anteriormente con corrientes de luz continuas y constantes. Demostraron que, al ajustar la fuerza y la forma del pulso entrante, podían crear estados cuánticos específicos y altamente complejos, incluyendo aquellos que se asemejan a un fotón único que ha sido desplazado en el espacio, o incluso formas más exóticas que parecen una superposición de dos estados comprimidos (squeezed states) diferentes.

El estudio comienza analizando un sistema simple de dos niveles, que actúa como un interruptor básico que puede estar encendido o apagado. Cuando este sistema es golpeado por un pulso de luz coherente, los investigadores observaron que la luz saliente podía sintonizarse para exhibir fuertes características negativas. Descubrieron que la cantidad de negatividad no es un aumento simple y constante a medida que el pulso se fortalece; en cambio, fluctúa en un patrón complejo. Utilizando técnicas de optimización para encontrar la combinación perfecta de ancho de pulso y tiempo, identificaron una configuración específica que produce un estado muy cercano a un estado de fotón único desplazado. Este es un hallazgo significativo porque sugiere una forma fiable de crear un bloque de construcción fundamental para la computación cuántica sin necesidad de filtrar los resultados no deseados. Las simulaciones mostraron que este estado óptimo tiene un volumen negativo, una medida de cuánta "cuanticidad" está presente, que es más de cinco veces mayor de lo logrado en experimentos previos utilizando métodos de excitación constante.

Los investigadores ampliaron luego su investigación a emisores más complejos, sistemas que pueden contener más de solo dos niveles de energía, similares a un dial con múltiples ajustes en lugar de un simple interruptor. Descubrieron que excitar estos sistemas de espín más alto con pulsos de luz producía resultados aún más dramáticos. A medida que aumentaban la complejidad del emisor, la cantidad de negatividad en la luz de salida crecía significamente. Para un sistema con un espín de tres medios, el volumen negativo alcanzó niveles que superan con creces cualquier otro método determinista conocido actualmente. Las formas de estos nuevos estados comenzaron a parecerse a patrones de múltiples fotones, lo que sugiere que esta técnica podría utilizarse para generar determinísticamente estados con números específicos de partículas, una capacidad que actualmente es muy difícil de lograr.

En una segunda línea de investigación, el equipo reemplazó los pulsos de luz coherente estándar por pulsos de luz comprimida (squeezed light). La luz comprimida es un tipo especial de luz donde la incertidumbre en una propiedad se reduce a expensas de otra, lo que la convierte en una herramienta poderosa para la precisión. Cuando excitaron el sistema simple de dos niveles con estos pulsos comprimidos, los estados de luz resultantes se parecían a estados de "Gato de Schrödinger", que son superposiciones de dos realidades cuánticas distintas. Estos estados son altamente valorados por su potencial uso en la computación cuántica con corrección de errores. Las simulaciones revelaron que el método de pulsos superó nuevamente a los métodos de estado estacionario, produciendo estados con valles negativos mucho más profundos. Los investigadores pudieron ajustar la compresión y el tiempo del pulso para maximizar este efecto, encontrando un punto óptimo donde el estado generado era casi idéntico a un estado de gato comprimido teórico.

Quizás el descubrimiento más sorprendente ocurrió cuando aplicaron pulsos comprimidos a un emisor de espín uno, un sistema con tres niveles de energía. Aquí, la física tomó un giro único. La interacción entre la luz comprimida y el sistema de tres niveles resultó en un estado donde el componente de dos fotones estaba casi totalmente ausente. En la luz de salida, la probabilidad de encontrar exactamente dos fotones fue suprimida, mientras que otros números de fotones permanecieron. Este fenómeno, que los investigadores llaman "exclusión de dos fotones", crea un patrón de rejilla en el mapa cuántico que es reminiscente de un tipo específico de código de corrección de errores cuánticos conocido como estado GKP. Estos estados son considerados el "santo grial" para construir computadoras cuánticas robustas porque pueden proteger la información del ruido. Las simulaciones mostraron que la luz generada de esta manera comparte un alto grado de similitud con estos estados GKP ideales, ofreciendo una nueva vía potencial para crearlos de manera determinista.

A lo largo de su trabajo, los investigadores enfatizaron que estos resultados provienen de simulaciones numéricas rigurosas de un sistema en cascada, donde la luz fluye desde una fuente, a través de un emisor, hacia una cavidad de captura. Modelaron cuidadosamente cómo los pulsos de luz interactúan con el emisor y cómo el tiempo de los pulsos afecta el estado final. También exploraron cómo las imperfecciones, tales como la fuga de luz en la dirección incorrecta o el hecho de que el emisor esté ligeramente desintonizado con la luz, afectarían los resultados. Su análisis mostró que, si bien estas imperfecciones reducen la calidad de los estados negativos, el efecto central sigue siendo robusto siempre que el sistema esté razonablemente bien sintonizado. El estudio concluye que, al pasar de la excitación continua a la excitación por pulsos, y al utilizar emisores con diferentes números de niveles de energía, es posible generar una amplia gama de estados de luz altamente no clásicos. Este trabajo proporciona un plano teórico para una fuente determinista de luz con negatividad de Wigner, acercando el campo a la realización práctica de las tecnologías cuánticas que dependen de estos estados de la materia tan frágiles y poderosos.