Nuevo método para medir estados cuánticos

El equipo de investigadores en los laboratorios del IQOQI. Paul Erker es el primero por la derecha, en la segunda fila. (Fuente: IQOQI)

Desarrollan un nuevo sistema robusto y eficiente para medir el entrelazamiento cuántico

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Un equipo internacional con la participación de la UAB ha desarrollado un nuevo método para medir estados cuánticos, más eficiente y robusto que los anteriores, que puede mejorar la seguridad de las comunicaciones. La investigación se ha publicado en Nature Physics.

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UAB / La meta de conseguir comunicaciones completamente seguras está cada vez más cerca, gracias al control de lo que los físicos llaman el entrelazamiento entre sistemas cuánticos. Una clave generada por medio de este fenómeno no se puede interceptar sin violar las leyes físicas. Recientemente se ha logrado codificar grandes cantidades de información en un solo fotón, una sola partícula de luz. Mediante el entrelazamiento de muchas dimensiones es posible correlacionar esta información entre dos (o más) fotones de una manera cuántica. Pero para hacer viables estos resultados de manera práctica se deben superar muchas dificultades. Entre ellas, desarrollar sistemas de medida muy eficientes que certifiquen que, efectivamente, los sistemas se encuentran en ese estado de entrelazamiento de muchas dimensiones.

Persiguen desarrollar sistemas de medida muy eficientes que certifiquen que los sistemas se encuentran en ese estado de entrelazamiento de muchas dimensiones

El grupo de investigación que dirige el físico de la Academia Austríaca de Ciencias Marcus Huber -que había sido investigador postdoctoral en la UAB-, y donde participa el investigador del Departamento de Física de la UAB Paul Erker, ha encontrado una aproximación viable para certificar estos estados de entrelazamiento multidimensional y la ha puesto a prueba con éxito en un experimento que describen en la revista Nature Physics.

Inicialmente, los autores han afrontado el problema desde un punto de vista matemático, reduciendo el número de medidas necesario para verificar el entrelazamiento multidimensional. Mientras gran parte de las medidas convencionales en sistemas cuánticos pueden dar lugar a respuestas simples que pueden ser sí o no, existen medidas con más respuestas posibles, que requieren más y más preguntas a medida que la dimensión del sistema es mayor. Los investigadores han identificado una propiedad matemática que permite simplificar este proceso y obtener una verificación sin ambigüedades del entrelazamiento multidimensional, utilizando sólo dos preguntas. “Con sólo dos preguntas podemos obtener casi cualquier respuesta sobre todo lo que queramos saber del estado cuántico”, resume Marcus Huber.

Para poner a prueba experimentalmente el nuevo sistema, los investigadores utilizaron fotones con la característica de que su momento angular orbital (una propiedad medible relacionada con su giro) puede presentar un entrelazamiento con muchas dimensiones. Los fotones fueron medidos con la nueva técnica y los datos obtenidos confirmaron que, efectivamente, se encontraban en un estado de entrelazamiento multidimensional. De hecho, se trataba de un entrelazamiento de 9 dimensiones nunca conseguido hasta ahora en un experimento de este tipo. “Antes de la nueva técnica propuesta, los científicos tenían que llevar a cabo cientos o, incluso, miles de medidas para llegar a las mismas conclusiones en un experimento similar”, comenta la primera firmante del artículo, Jessica Bavaresco.

Simplificará en gran medida la investigación en criptografía y comunicación cuántica de altas dimensiones

La ventaja de este nuevo sistema no es sólo el incremento drástico en la eficiencia del proceso de certificación. También muestra mucha más robustez frente al ruido ambiental -que puede arruinar fácilmente cualquier experimento de este tipo- y es más seguro que los métodos empleados hasta ahora. Los científicos consideran que la nueva técnica propuesta abre las puertas a numerosas aplicaciones interesantes y que simplificará en gran medida la investigación en criptografía y comunicación cuántica de altas dimensiones.

Paul Erker es investigador predoctoral del Grupo de Información y Fenómenos Cuánticos del Departamento de Física de la UAB, bajo la supervisión del investigador ICREA Andreas Winter. En la investigación, dirigida por Marcus Huber, del Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) de la Academia Austriaca de Ciencias (OAW), han participado investigadores de Austria, la República Checa, Francia, España, Suiza y el Reino Unido.

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Referencia bibliográfica: 
Jessica Bavaresco, Natalia Herrera Valencia, Claude Klöckl, Matej Pivoluska, Paul Erker, Nicolai Friis, Mehul Malik y Marcus Huber. Measurements in two bases are sufficient for certifying high-dimensional entanglement. Nature Physics. http://dx.doi.org/10.1038/s41567-018-0203-z

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