El presente proyecto se sitúa en el área de investigación del procesamiento de información cuántica y tecnologías cuánticas, de enorme importancia actual a nivel internacional. Nos encontramos presenciando una revolución tecnológica derivada del aprovechamiento tecnológico de las leyes de la mecánica cuántica. En este contexto, el desarrollo de algoritmos cuánticos tales como el de Shor para la factorización prima de números enteros y el de Grover para la búsqueda en bases de datos, demuestran el enorme potencial del cómputo cuántico. Ya hoy en día la criptografía cuántica es una realidad, y empresas como IBM, Google, y D-Wave han desarrollado computadoras cuánticas las cuales aun cuando a la fecha poseen un número limitado de qubits, son los primeros pasos en esta incipiente revolución.
En el grupo de investigación y laboratorio a mi cargo hemos alcanzado un liderazgo a nivel internacional en el desarrollo fuentes de parejas de fotones con propiedades optimizadas. Pretendemos aprovechar nuestra experiencia previa para lograr avances contundentes en seis interesantes avenidas de investigación, que se detallan en este documento. En síntesis estas avenidas son las siguientes: i) desarrollo de nuevas implementaciones altamente optimizadas de tomografía de coherencia óptica, ii) desarrollo de fuentes de fotones individuales anunciados con estados de polarización vectorial, así como de parejas de fotones con enredamiento híbrido entre polarización y modo transversal, iii) realización de mediciones débiles conjuntas en direcciones arbitrarias de la polarización en un sistema de dos fotones, iv) desarrollar herramientas basadas en absorción de dos fotones (TPA), mediante un montaje que permita realizar una caracterización espectroscópica de moléculas complejas aprovechando las correlaciones no clásicas de la luz, v) dealizar una reconstrucción del estado completo de un par de fotones, generado por conversión paramétrica espontanea, midiendo la amplitud conjunta, incluyendo la fase, del par luego de que éste interfiere en un interferómetro de Hong-Ou-Mandel, vi) desarrollar una plataforma experimental basada en óptica para la observación de radiación análoga de Hawking (HR), semillada por fotones individuales (provenientes del proceso de mezclado de cuatro ondas).
En todos los casos, estas avenidas de investigación resultarán en: i) artículos de investigación en revistas refereadas (al menos un artículo en revista refereada por avenida de investigación, es decir al menos seis artículos en la duración del proyecto), ii) avances en tesis de posgrado de los estudiantes asociados a los proyectos, y iii) presentaciones en foros internacionales (siempre y cuando lo permita la contengencia por COVID-19, o en eventos realizados en línea) de nuestros resultados. Además, en algunas de estas líneas buscaremos la protección de nuestra propiedad intelectual mediante patentes (adicionales a la que tenemos ya en trámite de un sistema de coherencia óptica cuántica en el dominio espectral).
Este trabajo se verá beneficiado por las siguientes colaboraciones: (i) Dr. David Bermúdez (CINVESTAV), experto en modelos de fenómenos astrofísicos en fibras ópticas, (ii) Dra. Karina Garay Palmett (CICESE), experta en teoría y experimentos de óptica cuántica, (iii) Dr. Roberto Ramírez (CIO), experto en experimentos basados en luz no clásica, (iv) Dr. Dorilián López Mago (ITESM), experto en luz estructurada y tomografía de coherencia óptica, (v) Dr. Roberto León Montiel (ICN-UNAM), experto en teoría de óptica cuántica, (vi) Dra. Alejandra Velencia y Dr. Alonso Botero (Universidad de los Andes, Colombia), expertos en elementos de realidad Einstein Podolsky Rosen.
El presente proyecto se ubica en la temática del aprovechamiento y caracterización de parejas de fotones generadas mediante procesos espontáneos paramétricos dentro de la óptica no lineal, incluyendo la conversión paramétrica descendente (que se da en cristales con una no linealidad de segundo orden) y el mezclado de cuatro ondas espontáneo que se da en medios no lineales de tercer orden (e.g. fibras ópticas). En nuestro grupo tenemos amplia experiencia con ambos procesos, desde su estudio teórico y modelado hasta el diseño e implementación en el laboratorio de fuentes de parejas de fotones, además de su aplicación.
En el contexto de este proyecto hemos identificado seis avenidas de investigación que se distinguen por su potencial de generar resultados con alto valor científico. Estas seis avenidas son las siguientes: i) Desarrollo de nuevas implementaciones altamente optimizadas de tomografía de coherencia óptica (QOCT). Se trata de un conjunto de técnicas basadas en nuestro trabajo reciente [Yepiz2019,Ibarra2020,Yepiz2020] para acercarnos a implementaciones prácticas del QOCT aplicables fuera de condiciones controladas de laboratorio, e.g. en ambientes clínicos. ii) Desarrollo de fuentes de fotones individuales anunciados con estados de polarización vectorial, así como de parejas de fotones con enredamiento híbrido entre polarización y modo transversal. Se trata de la utilización de un haz de bombeo en el procese SPDC con propiedades de polarización vectorial, e.g. haces Full Poincaré, las cuales puedan ser “heredadas” por la estructura de enredamiento de las parejas de fotones generadas. iii) Realización de mediciones débiles conjuntas en direcciones arbitrarias de la polarización en un sistema de dos fotones. Mediremos señales débiles de forma remota amplificando los valores débiles conjuntos y aprovechando la correlación no local para inferir los valores de la señal remota a partir de valores locales; aprovecharemos la experiencia obtenida en nuestro trabajo previo [Calderon2020]. iv) Desarrollar herramientas basadas en absorción de dos fotones (TPA), mediante un montaje que permita realizar una caracterización espectroscópica de moléculas complejas aprovechando las correlaciones no clásicas de la luz. Aprovecharemos nuestro trabajo reciente [Leon2019], el cual fue de carácter teórico, para trabajar hacia la demostración de un espectrómetro molecular basado en la absorción de dos fotones. v) Realizar una reconstrucción del estado completo de un par de fotones, generado por conversión paramétrica espontanea, midiendo la amplitud conjunta, incluyendo la fase, del par luego de que éste interfiere en un interferómetro de Hong-Ou-Mandel. Este trabajo ser verá beneficiado de nuestra experiencia adquirida en un trabajo previo sobre interferencia Hong Ou Mandel en el dominio espectral [Yepiz2020]. vi) desarrollar una plataforma experimental basada en óptica para la observación de radiación análoga de Hawking (HR), semillada por fotones individuales (provenientes del proceso de mezclado de cuatro ondas). Utilizaremos un semillado débil (por un fotón individual), que representa un régimen intermedio entre el semillado por el vació (caso espontáneo), y el semillado por un haz láser (caso clásico).
En todos los casos, estas avenidas de investigación resultarán en: i) artículos de investigación en revistas refereadas (al menos un artículo en revista refereada por avenida de investigación), ii) avances en tesis de posgrado de los estudiantes asociados a los proyectos, y iii) presentaciones en foros internacionales (siempre y cuando lo permita la contengencia por COVID-19, o en eventos realizados en línea) de nuestros resultados. Además, en algunas de estas líneas buscaremos la protección de nuestra propiedad intelectual mediante patentes (adicionales a la que tenemos ya en trámite de un sistema de coherencia óptica cuántica en el dominio espectral).
Nuestro trabajo de investigación expuesto aquí tenderá a consolidar aún más al Laboratorio de Óptica Cuántica del Instituto de Ciencias Nucleares, a mi cargo, tanto en proyectos de ciencia básica como en proyectos de ciencia aplicada.