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(noticias nanowerk) Investigadores de la Universidad de Stuttgart han demostrado que un componente clave de muchos sistemas de comunicación y computación cuántica se puede ejecutar con una eficiencia que excede el límite teórico superior generalmente supuesto, abriendo nuevas perspectivas para una amplia gama de tecnologías cuánticas fotónicas.
La ciencia cuántica no sólo ha revolucionado nuestra comprensión de la naturaleza, sino que también está inspirando nuevos e innovadores dispositivos informáticos, de comunicación y de detección. El uso de efectos cuánticos en tales “tecnologías cuánticas” generalmente requiere una combinación de conocimiento profundo de los principios subyacentes de la física cuántica, avances metodológicos sistemáticos e ingeniería inteligente. Y es precisamente esta combinación la que investigadores del grupo de la Prof. Stefanie Barz de la Universidad de Stuttgart y el Centro de Ciencia y Tecnología Cuánticas Integradas (IQST) lograron en un estudio reciente en el que mejoraron la eficiencia de un componente sustancial de muchos componentes cuánticos. dispositivos por encima de un límite aparentemente inherente.
De la filosofía a la tecnología
Una de las protagonistas en el campo de las tecnologías cuánticas es una propiedad conocida como entrelazamiento cuántico. El primer paso en el desarrollo de este concepto fue un apasionado debate entre Albert Einstein y Niels Bohr. En resumen, su argumento giraba en torno a cómo se puede intercambiar información entre múltiples sistemas cuánticos. Es importante destacar que esto puede suceder de formas que no tienen equivalente en la física clásica.
La discusión iniciada por Einstein y Bohr siguió siendo en gran medida filosófica hasta que el físico John Stewart Bell encontró una manera de resolver el desacuerdo experimentalmente en la década de 1960. El sistema de Bell se exploró por primera vez en experimentos con fotones, los cuantos de luz. Tres pioneros en este campo, Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger, recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física el año pasado por su trabajo pionero en el desarrollo de tecnologías cuánticas.
El propio Bell murió en 1990, pero su nombre está inmortalizado en los llamados Bell States. Estos describen los estados cuánticos de dos partículas que están lo más entrelazadas posible. Hay cuatro estados de Bell en total, y las mediciones de los estados de Bell (que determinan en cuál de los cuatro estados se encuentra un sistema cuántico) son una herramienta esencial para la aplicación práctica del entrelazamiento cuántico. Quizás lo más conocido es que las mediciones del estado de Bell son el componente central de la teletransportación cuántica, que a su vez permite la mayor parte de la comunicación y la computación cuánticas.
Sin embargo, existe un problema: cuando se realizan experimentos utilizando elementos ópticos convencionales como espejos, divisores de haz y placas de ondas, dos de los cuatro estados de Bell tienen firmas experimentales idénticas y, por lo tanto, no se pueden distinguir entre sí. Esto significa que la probabilidad global de éxito (y, por tanto, la tasa de éxito de un experimento de teletransportación cuántica, por ejemplo) se limita naturalmente al 50 por ciento si sólo se utilizan componentes ópticos «lineales». ¿O es eso?
Con todo incluido
Aquí es donde entra en juego el trabajo del Grupo Barz. Como informaron recientemente en el Journal Avances científicos (“La medición del estado de campana supera el 50% de probabilidad de éxito con óptica lineal”), los estudiantes de doctorado Matthias Bayerbach y Simone D’Aurelio realizaron mediciones del estado de campana, con las que lograron una tasa de éxito del 57,9 por ciento. Pero, ¿cómo lograron eficiencias que habrían sido inalcanzables con las herramientas disponibles?
Su excelente resultado fue posible mediante el uso de dos fotones adicionales junto con el par de fotones entrelazados. En teoría, se sabe que estos «fotones auxiliares» ofrecen una forma de realizar mediciones del estado de Bell con una eficiencia superior al 50 por ciento. Sin embargo, aún no es posible una implementación experimental. Una razón para esto es que se necesitan detectores sofisticados que puedan resolver la cantidad de fotones que los golpean.
Bayerbach y D’Aurelio superaron este desafío utilizando 48 detectores de fotón único que trabajaron en una sincronía casi perfecta para capturar los estados precisos de hasta cuatro fotones que llegaban al conjunto de detectores. Con esta capacidad, el equipo pudo detectar diferentes distribuciones de números de fotones para cada estado de Bell, aunque con cierta superposición para los dos estados originalmente indistinguibles, razón por la cual la eficiencia en sí no podría exceder teóricamente el 62,5 por ciento. Pero se superó el obstáculo del 50 por ciento. Además, la probabilidad de éxito puede, en principio, acercarse al 100 por ciento, pero al precio de tener que añadir un mayor número de fotones ancilla.
Perspectivas brillantes
Incluso el experimento más sofisticado está plagado de imperfecciones, y esta realidad debe tenerse en cuenta al analizar los datos y predecir cómo funcionaría la técnica en sistemas más grandes. Por ello, los investigadores de Stuttgart se reunieron con el Prof. Dr. Peter van Loock, teórico de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz y uno de los arquitectos del método de medición del estado de campana basado en Ancilla. Van Loock y Barz son miembros de la colaboración PhotonQ, financiada por el BMBF, que reúne a socios académicos e industriales de toda Alemania que trabajan en la realización de un tipo específico de computadora cuántica fotónica. El esquema mejorado de medición de Bell State es ahora uno de los primeros resultados de esta colaboración.
Aunque el aumento de la eficiencia del 50 al 57,9 por ciento parece modesto, ofrece una gran ventaja en escenarios en los que es necesario realizar múltiples mediciones consecutivas, como en las comunicaciones cuánticas de larga distancia. Para tal ampliación, es importante que la plataforma de óptica lineal tenga una complejidad instrumental relativamente baja en comparación con otros enfoques.
Métodos como los ahora establecidos por el Grupo Barz amplían nuestro conjunto de herramientas para hacer un uso significativo del entrelazamiento cuántico en la práctica, posibilidades que se están investigando ampliamente en la comunidad cuántica local en Stuttgart y Baden-Württemberg bajo el paraguas de iniciativas como la de larga duración. la asociación de investigación permanente IQST y la red QuantumBW recientemente fundada.
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