Potente impulso a la computación y la criptografía cuánticas

El entrelazamiento cuántico puede manipularse en un entorno topológico para protegerlo de su fragilidad y permitir a las partículas implicadas compartir información sin riesgo de perturbaciones. Este hallazgo potencia el desarrollo de las tecnologías cuánticas.

El entrelazamiento cuántico es una de las propiedades más sorprendentes y misteriosas del mundo cuántico. Se refiere a la existencia de correlaciones sutiles, no locales, entre los grados de libertad locales de un sistema cuántico.

Eso significa que el estado de una parte del sistema puede depender del estado de otra parte, incluso si ambas partes están separadas por grandes distancias. El entrelazamiento cuántico es la base de muchas aplicaciones potenciales en el campo de la información y de la computación cuánticas.

La topología es una rama de las matemáticas que estudia las propiedades de las formas geométricas que no cambian al deformarlas de manera continua: por ejemplo, una taza con asa topológicamente es similar a una rosquilla (solo hay un hueco continuo en el centro de la rosquilla y en el asa de la taza). O también un trozo de tela (que sería como una función de onda) cuya textura (la topología) permanece sin cambios, independientemente de la dirección en la que se empuja.

La topología se puede aplicar al mundo cuántico para describir las características universales que tienen algunos estados cuánticos porque la teoría cuántica general deriva de la topología del espacio cuántico.

Avance significativo

Una nueva investigación, publicada en Nature Photonics, presenta un avance significativo en la comprensión de la relación entre la topología y el entrelazamiento cuántico.

El equipo de científicos, que incluye a investigadores del Laboratorio de Luz Estructurada (Escuela de Física) de la Universidad de Witwatersrand en Sudáfrica, liderado por el profesor Andrew Forbes, en colaboración con el teórico de cuerdas Robert de Mello Koch, de la Universidad de Huzhou en China, ha demostrado por primera vez que es posible perturbar pares de partículas entrelazadas cuánticamente que están espacialmente separadas pero interconectadas, sin alterar sus propiedades compartidas.

Dicho llanamente, sería algo así como cambiar de pista a una pareja de baile sin que por ello pierdan el ritmo, algo muy difícil de conseguir en el mundo cuántico porque la mayoría de las partículas elementales (menos los nucleones) son muy inestables.

Este descubrimiento significa que las propiedades de las partículas entrelazadas cuánticamente pueden ser manipuladas sin alterar su entrelazamiento, lo que tiene implicaciones significativas para la computación y la criptografía cuánticas.

Importancia tecnológica

Esto es importante porque los estados entrelazados son frágiles y pueden ser fácilmente perturbados, lo que representa un desafío para el desarrollo de tecnologías basadas en el entrelazamiento cuántico.

En términos prácticos, el resultado de esta investigación podría permitir el desarrollo de nuevas técnicas para preservar los estados entrelazados, lo que podría ser útil para la transmisión de información de manera más segura y eficiente, ya que la información codificada en estados entrelazados es resistente a la interferencia y al espionaje.

También podría permitir el desarrollo de computadoras cuánticas más potentes, que podrían realizar cálculos que son inalcanzables para las computadoras clásicas.

Marco topológico

Los autores de esta investigación lograron este hito experimental al entrelazar dos fotones idénticos y personalizar su función de onda compartida de tal manera que su topología o estructura solo se hace evidente cuando los fotones se tratan como una entidad unificada. Esta conexión entre los fotones se estableció a través del entrelazamiento cuántico.

Los investigadores utilizaron la topología como un marco para clasificar o distinguir estados entrelazados y piensan que esta nueva perspectiva puede servir como un sistema de etiquetado para estados entrelazados, de la misma forma que un alfabeto etiqueta un mensaje contenido en una frase.

Estos hallazgos son cruciales porque los investigadores han luchado durante décadas para desarrollar técnicas para preservar los estados entrelazados.

De la teoría a la práctica

El hecho de que la topología permanezca intacta incluso cuando el entrelazamiento se descompone (momento en el que la pareja de baile del ejemplo cambia de pista) sugiere un nuevo mecanismo de codificación que utiliza el entrelazamiento, incluso en escenarios con entrelazamiento mínimo donde los protocolos de codificación tradicionales fallarían.

El resultado de esta investigación, en términos prácticos y comprensibles, confirma que la topología y el entrelazamiento cuántico están intrínsecamente vinculados.

En 2022, una investigación previa proporcionó un marco teórico para la relación entre la topología y el entrelazamiento cuántico. La nueva investigación se ha construido sobre ese marco teórico y lo ha llevado al ámbito experimental, demostrando ese vínculo de manera práctica y sentando las premisas para un nuevo impulso a las tecnologías cuánticas.

Referencia

Non-local skyrmions as topologically resilient quantum entangled states of light. Pedro Ornelas et al. Nature Photonics (2024). DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-023-01360-4