Crean dos 'gatos de Schrödinger' ¡que pueden estar en 103 estados cuánticos a la vez!

Científicos de varios países, entre ellos España, han diseñado un sistema cuántico de dos partículas entrelazadas ('qubit'), que pueden estar en 103 estados cuánticos simultáneamente; es decir, como el 'gato de Schrödinger', que podía estar vivo o muerto, pero con otras 101 posibilidades más. Hasta ahora el récord era de 11.


Representación de los estados (modos de fase e intensidad) en que se pueden encontrar los fotones entrelazados. Fuente: PNAS.

Los estados en los que pueden estar las partículas elementales, como los fotones, tienen propiedades que escapan al sentido común. Se producen superposiciones, como la posibilidad de que se encuentren en dos sitios a la vez, que desafían a la intuición.

Cuando dos partículas están entrelazadas se genera además un vínculo: medir el estado de una de ellas (si está en uno u otro sitio, o si gira en uno u otro sentido, por ejemplo) afecta el estado de la otra, por lejos que estén, de manera instantánea.

Los científicos llevan años combinando ambas propiedades para construir redes de partículas entrelazadas en estado de superposición, unos montajes que permiten avanzar hacia la construcción de ordenadores cuánticos capaces de realizar cálculos a velocidades impensables, encriptar información con total seguridad y realizar experimentos de mecánica cuántica que serían imposibles de realizar de ningún otro modo.

Hasta ahora, para incrementar la capacidad de “cálculo” de estos sistemas de partículas se ha recurrido, principalmente, a incrementar el número de partículas entrelazadas, cada una de ellas en un estado de superposición de dos dimensiones: un qubit (el equivalente cuántico a un bit de información, pero en el que los valores pueden ser 1, 0, o una superposición de ambos). Con este método se ha conseguido hasta ahora entrelazar 14 partículas, una auténtica multitud por la dificultad experimental que ello supone.

Un equipo internacional de investigadores, dirigidos por Anton Zeilinger y Mario Krenn, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austríaca de Ciencias, y en el que ha participado el investigador del Grupo de Información y Fenómenos Cuánticos del Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona Marcus Huber, también investigador visitante en el Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), ha dado una vuelta de tuerca más a los sistemas cuánticos entrelazados.

En un artículo que se publica esta semana en la revista Proceedings (PNAS), los científicos describen cómo han logrado un entrelazamiento cuántico de, al menos, 103 dimensiones con sólo dos partículas. “Tenemos dos gatos de Schrödinger que pueden estar vivos, muertos, o en otros 101 estados más al mismo tiempo”, bromea Huber en la nota de prensa de la UAB. “Además, están entrelazados de tal manera que lo que le ocurra a uno afecta inmediatamente al otro”. El resultado supone un récord en el entrelazamiento cuántico de múltiples dimensiones con dos partículas, establecido hasta ahora en 11 dimensiones.

Dos partículas, más de cien estados

En lugar de entrelazar muchas partículas con un qubit de información cada una, los científicos han generado un sólo par de fotones entrelazados que podían estar en más de cien estados diferentes cada uno de ellos, o en cualquier superposición de estos estados, algo mucho más fácil de llevar a cabo que entrelazar muchas partículas.

Estos estados tan complejos corresponden a diferentes modos en los que se pueden encontrar los fotones, con una distribución de su fase, de su momento angular y de su intensidad características para cada modo.

“Este entrelazamiento cuántico de alta dimensión ofrece un gran potencial para las aplicaciones de información cuántica. En criptografía, por ejemplo, nuestro método permitiría mantener la seguridad de la información en situaciones realistas, con ruido e interferencias. Además el descubrimiento podría facilitar el desarrollo experimental de los ordenadores cuánticos, ya que presenta un modo más fácil para obtener altas dimensiones de entrelazamiento con pocas partículas”, explica el investigador de la UAB, Marcus Huber.

Ahora que los resultados muestran que es accesible obtener entrelazamiento de altas dimensiones, los investigadores concluyen en el artículo que el siguiente paso será averiguar cómo se pueden controlar experimentalmente esos cientos de modos espaciales de los fotones, con el fin de realizar operaciones de computación cuántica.