Un equipo de investigadores del Laboratorio de Luz Estructurada de Universidad de WitwatersrandSudáfrica ha logrado un avance significativo en el entrelazamiento cuántico.

Dirigido por el profesor Andrew Forbes, en colaboración con el renombrado teórico de cuerdas Robert de Mello Koch, ahora en Universidad de Huzhou En China, el equipo demostró con éxito un nuevo método para manipular partículas cuánticas entrelazadas sin cambiar sus propiedades intrínsecas.

Esta hazaña marca un paso monumental en nuestra comprensión y aplicación del entrelazamiento cuántico.

Topología en entrelazamiento cuántico

Pedro Ornelas, estudiante de máster y autor principal del estudio, explica: “Lo logramos entrelazando dos fotones idénticos y personalizando su función de onda compartida. Este proceso hace que su estructura colectiva, o topología, sea evidente sólo cuando se los considera como una entidad única”.

Este experimento gira en torno al concepto de entrelazamiento cuántico, conocido como “acción espeluznante a distancia”, donde las partículas afectan el estado de las demás, incluso cuando están separadas por grandes distancias.

La topología, en este contexto, juega un papel crucial. Garantiza que se conserven ciertas propiedades, del mismo modo que una taza de café y un donut son topológicamente equivalentes debido a su agujero único e inmutable.

“Nuestros fotones entrelazados son similares”, ilustra el profesor Forbes. «Su entrelazamiento es flexible, pero algunas características permanecen constantes».

El estudio investiga específicamente la topología de Skyrmion, un concepto introducido por Tony Skyrme en la década de 1980. En este escenario, la topología se refiere a una propiedad global que permanece sin cambios, como la textura de una tela, independientemente de cómo se manipule.

Aplicaciones de entrelazamiento cuántico

Los Skyrmions, inicialmente estudiados en materiales magnéticos, cristales líquidos y análogos ópticos, son elogiados en la física de la materia condensada por su estabilidad y potencial en la tecnología de almacenamiento de datos.

«Nuestro objetivo es lograr impactos transformadores similares con nuestros skyrmions cuánticos entrelazados», añade Forbes. A diferencia de investigaciones anteriores que habían localizado a Skyrmions en un solo lugar, este estudio presenta un cambio de paradigma.

Como afirma Ornelas: «Ahora entendemos que la topología, tradicionalmente vista como local, en realidad puede ser no local, compartida entre entidades espacialmente separadas».

En base a esto, el equipo propone utilizar la topología como sistema de clasificación de estados entrelazados. El Dr. Isaac Nape, coinvestigador, lo compara con un alfabeto de estados entrelazados.

«Así como diferenciamos entre esferas y donuts por sus agujeros, nuestros skyrmions cuánticos pueden clasificarse por sus características topológicas», explica.

Ideas clave e investigaciones futuras

Este descubrimiento abre la puerta a nuevos protocolos de comunicación cuántica, utilizando la topología como medio para procesar información cuántica.

Dichos protocolos podrían revolucionar la forma en que codificamos y transmitimos información en sistemas cuánticos, especialmente en escenarios donde los métodos de codificación tradicionales fallan debido a un entrelazamiento mínimo.

En resumen, la importancia de esta investigación radica en su potencial para aplicaciones prácticas. Durante décadas, preservar los estados entrelazados ha sido un gran desafío.

Los hallazgos del equipo sugieren que la topología puede permanecer intacta incluso cuando el entrelazamiento disminuye, ofreciendo un nuevo mecanismo de codificación para los sistemas cuánticos.

El profesor Forbes concluye con una declaración prospectiva: «Ahora estamos preparados para definir nuevos protocolos y explorar el vasto panorama de los estados cuánticos topológicos no locales, revolucionando potencialmente la forma en que abordamos la comunicación cuántica y el procesamiento de la información».

Más sobre el entrelazamiento cuántico

Como se mencionó anteriormente, el entrelazamiento cuántico es un fenómeno fascinante y complejo en el dominio de la física cuántica.

Es un proceso físico en el que pares o grupos de partículas se generan, interactúan o comparten proximidad espacial de tal manera que el estado cuántico de cada partícula no puede describirse independientemente del estado de las demás, incluso cuando las partículas están separadas por una gran distancia. distancia. .

Descubrimiento y contexto histórico.

El entrelazamiento cuántico fue teorizado por primera vez en 1935 por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen. Propusieron la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), desafiando la integridad de la mecánica cuántica.

Einstein se refirió al entrelazamiento como “acción espeluznante a distancia”, expresando su incomodidad con la idea de que las partículas pudieran afectarse entre sí instantáneamente a grandes distancias.

Principios del entrelazamiento cuántico

En el corazón del entrelazamiento cuántico se encuentra el concepto de superposición. En la mecánica cuántica, las partículas como los electrones y los fotones existen en un estado de superposición, lo que significa que pueden estar en varios estados al mismo tiempo.

Cuando dos partículas se entrelazan, están unidas de tal manera que el estado de una (ya sea rotación, posición, momento o polarización) se correlaciona instantáneamente con el estado de la otra, sin importar qué tan separadas estén.

Entrelazamiento cuántico en informática y comunicación.

El entrelazamiento cuántico desafía las nociones clásicas de las leyes físicas. Sugiere que la información se puede transferir más rápido que la velocidad de la luz, algo que contradice la teoría de la relatividad de Einstein.

Sin embargo, esto no significa que la información utilizable se transmita instantáneamente, lo que violaría la causalidad; más bien, implica una profunda interconexión a nivel cuántico.

Una de las aplicaciones más interesantes del entrelazamiento cuántico se encuentra en el campo de la computación cuántica. Las computadoras cuánticas utilizan estados entrelazados para realizar cálculos complejos a velocidades inalcanzables por las computadoras clásicas.

En la comunicación cuántica, el entrelazamiento es fundamental para el desarrollo de sistemas de comunicación altamente seguros, como la criptografía cuántica y la distribución de claves cuánticas, que en teoría son inmunes a la piratería.

Verificación experimental e investigación actual.

Desde sus inicios teóricos, el entrelazamiento cuántico se ha demostrado experimentalmente varias veces, confirmando su naturaleza extraña y contraintuitiva.

Los más famosos son los experimentos de Bell, que proporcionaron pruebas significativas en contra de las teorías locales de variables ocultas y a favor de la mecánica cuántica.

En resumen, el entrelazamiento cuántico, piedra angular de la mecánica cuántica, sigue siendo un tema de intensa investigación y debate. Su naturaleza desconcertante desafía nuestra comprensión del mundo físico y abre posibles avances revolucionarios en tecnología.

A medida que avance la investigación, podremos encontrar más aplicaciones prácticas para este extraño fenómeno, desentrañando aún más los misterios del universo cuántico.

El estudio completo fue publicado en la revista Fotónica de la naturaleza.

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