¡Generación de Entrelazamiento Cuántico más Rápido que Nunca!

^{Por: Amal Pushp, Físico afiliado de Resonance Science Foundation}

El entrelazamiento cuántico es una de las ideas más sugerentes y contraintuitivas de la física moderna. Dos partículas que están espacialmente bien separadas en la red del espaciotiempo muestran una correlación entre sus propiedades y un acto de medición sobre uno de los pares puede afectar instantáneamente a la otra partícula a pesar de la falta de un canal de comunicación, lo cual es notable y extraño al mismo tiempo. Albert Einstein, que era un escéptico de la idea, se refirió al entrelazamiento como "Spooky Action at a Distance" (Acción espeluznante a distancia), a pesar de que fue su trabajo el que condujo a su realización [1].

Aunque el fenómeno encierra un cierto misterio, ha propiciado el desarrollo de numerosas tecnologías que rigen nuestro mundo moderno. Por ejemplo, ha llevado a la creación de bits cuánticos, o qubits, esenciales para la informática cuántica. Además, se ha avanzado mucho en la comunicación cuántica a gran escala a través de satélites y el entrelazamiento desempeña un papel importante en la misma. Por ejemplo, el físico experimental Jian-Wei Pan aplicó el entrelazamiento cuántico y mostró su distribución a dos lugares separados por unos 1203 Km en la Tierra [2]. Esto se consiguió mediante un satélite cuántico que tenía dos estaciones terrestres en China, estableciendo un récord de distancia para correlaciones no locales.

En trabajos recientes, los físicos han descubierto por primera vez una nueva forma de acelerar el proceso de creación de entrelazamiento, especialmente para sistemas cuánticos no Hermitianos [3]. Existe una rama claramente nueva de la mecánica cuántica dedicada al estudio de los sistemas no Hermitianos, por lo que se denomina mecánica cuántica no Hermitiana.

Consideremos una clase especial de sistemas no-Hermitianos, sistemas que tienen Hamiltonianos no-Hermitianos, llamados sistemas simétricos paridad-tiempo (PT). Estos sistemas poseen una degeneración no trivial conocida como punto excepcional (PE) en el que convergen las eigenenergías y los eigenestados del sistema. Los investigadores descubrieron que si un PE está cerca, puede conducir a la generación de entrelazamiento mucho más rápidamente.

^{La figura muestra un proceso de generación de entrelazamiento. Los iones de estroncio (puntos morados) y calcio (puntos verdes) están atrapados en dos trampas Paul segmentadas separadas. Los fotones emitidos por los iones de estroncio se recogen con objetivos de gran apertura numérica y se utilizan para generar entrelazamiento remoto entre los iones. Los iones de calcio se utilizan como qubits de memoria y procesamiento. Fuente y descripción de la imagen: Oxford University}

Los puntos excepcionales se han observado esencialmente en numerosos sistemas cuánticos, como átomos ultrafríos, iones atrapados, circuitos superconductores, etc. [4, 5, 6]. También ofrecen interesantes perspectivas para aplicaciones tecnológicas cuánticas como la detección y el control de estados [7, 8].

Normalmente, el entrelazamiento entre dos qubits acoplados se produce a una escala temporal de la inversa de la fuerza de acoplamiento entre los qubits. Sorprendentemente, en este trabajo, los físicos implicados han descubierto que el entrelazamiento entre dos qubits no Hermitianos débilmente acoplados, puede establecerse en una escala temporal que es esencialmente mucho menor que la inversa de la fuerza de acoplamiento.

Además, a medida que nos acercamos al punto excepcional, es posible crear un estado de máximo entrelazamiento con una conexión o acoplamiento más débil entre los componentes cuánticos. Esto significa que no se necesita una interacción tan fuerte entre los elementos cuánticos para lograr un estado altamente entrelazado. Sin embargo, hay una contrapartida. Aunque se requiere un acoplamiento más débil para el entrelazamiento, se necesita un periodo de tiempo más largo para que este estado entrelazado se desarrolle o "acumule" completamente. Por tanto, acercarse al punto excepcional hace que el entrelazamiento sea más alcanzable con menos fuerza de interacción, pero a costa de que el entrelazamiento tarde más tiempo en alcanzar su máximo potencial.

Este reciente descubrimiento supone un enorme avance en el campo de la ciencia de la información y la tecnología cuántica. No sólo abre la posibilidad de aplicaciones en otros ámbitos científicos, sino que también promete ser pionero en el desarrollo de dispositivos cuánticos innovadores, impulsando así este campo a cotas sin precedentes.

RSF en Perspectiva:

El entrelazamiento es un tema cautivador para los físicos, y es un honor que nuestro equipo de investigación en RSF haya hecho contribuciones sustanciales a este campo. La Red de Espaciomemoria Unificada, propuesta en 2016, ofrece un marco exhaustivo que describe, entre otras cosas, la intrincada naturaleza de nuestro universo como una vasta red de subsistemas interconectados. Dentro de esta red, el tiempo surge a través del entrelazamiento de geometrías espaciotemporales intrincadamente conectadas. Además, el modelo USN dilucida que la evolución de nuestro universo no es producto del azar, sino que está intrincadamente gobernada por el entrelazamiento transtemporal. Este trabajo desvela una perspectiva completamente novedosa sobre el entrelazamiento y sus aplicaciones prácticas.

Más recientemente, el físico Nassim Haramein, en colaboración con los físicos Dr. Olivier Alirol y Dr. Cyprien Guermonprez, ha publicado un artículo titulado "El Origen de la Masa y la Naturaleza de la Gravedad", disponible en el servidor de preimpresos del CERN [9]. En la sección de discusión de este artículo, los autores reflexionan sobre un novedoso modelo de entrelazamiento, inspirado en la conjetura ER = EPR, que arroja luz sobre la conexión entre la escala cuántica y la escala cosmológica.

Cuando aprovechamos los avances empíricos más recientes para generar entrelazamiento entre sistemas cuánticos y fusionamos estas capacidades con las teorías fundacionales establecidas por investigadores de todo el mundo, incluido nuestro propio equipo, vislumbramos un futuro prometedor para los entusiastas de ampliar los límites de la mecánica cuántica y utilizarla para impulsar la tecnología cuántica.

Referencias

[1] A. Einstein, B. Podolsky and N. Rosen, "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?" Phys. Rev. 47, 777-80 (1935).

[2] Jian-Wei Pan et al, Satellite-Based Entanglement Distribution Over 1200 kilometers, Science (2017). DOI: 10.1126/science.aan3211

[3] Zeng-Zhao Li et al, Speeding Up Entanglement Generation by Proximity to Higher-Order Exceptional Points, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.100202

[4] J. Li, A. K. Harter, J. Liu, L. de Melo, Y. N. Joglekar, and L. Luo, Observation of parity-time symmetry break- 6 ing transitions in a dissipative Floquet system of ultracold atoms, Nat. Commun. 10, 855 (2019).

[5] L. Ding, K. Shi, Q. Zhang, D. Shen, X. Zhang, and W. Zhang, Experimental determination of PT-symmetric exceptional points in a single trapped ion, Phys. Rev. Lett. 126, 083604 (2021).

[6] M. Naghiloo, M. Abbasi, Y. N. Joglekar, and K. W. Murch, Quantum state tomography across the exceptional point in a single dissipative qubit, Nat. Phys. 15, 1232 (2019).

[7] S. Yu et al., Experimental investigation of quantum PT-enhanced sensor, Phys. Rev. Lett. 125, 240506 (2020).

[8] M. Abbasi, W. Chen, M. Naghiloo, Y. N. Joglekar, and K. W. Murch, Topological quantum state control through exceptional-point proximity, Phys. Rev. Lett. 128, 160401 (2022).

[9] Nassim Haramein, Cyprien Guermonprez, & Olivier Alirol. “The Origin of Mass and the Nature of Gravity”, (2023). DOI: 10.5281/zenodo.8381114