Protocolo de Teleportación Cuántica de Energía

Por: Dra. Inés Urdaneta y William Brown, Científicos de Resonance Science Foundation

Se ha demostrado ampliamente que la información de los estados cuánticos puede teleportarse a lugares remotos a través de la teleportación cuántica. Como tal, está bien establecido que los estados de información pueden teleportarse eficazmente entre dos sistemas cuánticos, pero ¿qué ocurre con otras propiedades, como la energía? Ahora, experimentos recientes han demostrado directamente la teleportación de energía utilizando el entrelazamiento espacial de las fluctuaciones de energía del punto cero del vacío cuántico. Además de ser una demostración directa de la capacidad de aprovechar el estado de entrelazamiento intrínseco del vacío cuántico para teleportar energía, los protocolos tienen aplicaciones potenciales en una amplia variedad de dispositivos cuánticos y tecnologías de la información cuántica, como la cosecha de la energía proveniente del entrelazamiento, consideraciones sobre el paralelismo de la teleportación cuántica de energía con la teleportación de qubits por agujeros de gusano (ER = EPR), la comprensión de la termodinámica cuántica con aplicaciones en el mantenimiento de un sólido entrelazamiento de qubits en computadores cuánticos mediante el enfriamiento de sistemas cuánticos de muchos cuerpos, e incluso una mayor comprensión de la entropía, la termodinámica y la información de los agujeros negros.

Comprendiendo el nexo de entrelazamiento del vacío cuántico

En artículos anteriores hemos hablado de la naturaleza sustantiva y energética del espacio, en el que existen fluctuaciones energéticas constitutivas incluso en un vacío completo, lo que se denomina energía del punto cero o fluctuaciones cuánticas del vacío (la naturaleza real y sustantiva de las fluctuaciones cuánticas del vacío se ha validado mediante el efecto Casimir, el torque de Casimir , y la fuerza repulsiva de Casimir). De mayor importancia para el estudio discutido aquí, el efecto Casimir incluso se ha aprovechado para diseñar dispositivos Casimir funcionales, como los diodos Casimir, de modo que la energía del vacío cuántico se pueda utilizar para la transferencia de energía no recíproca o unidireccional entre dos sistemas (ver nuestro artículo sobre control del vacío cuántico para la transferencia de energía y los dispositivos Casimir funcionales .

También hemos hablado de experimentos que han demostrado directamente la capacidad de extraer energía e incluso materia de las fluctuaciones del vacío cuántico (experimento genera partículas a partir del vacío). Una consideración adicional importante es el entrelazamiento espacial intrínseco de las fluctuaciones del vacío cuántico o punto cero. La importancia de esta red de entrelazamiento no local ha sido discutida en detalle en nuestra publicación: The Entanglement Nexus of Awareness [1] y se utiliza activamente en experimentos cuánticos donde el entrelazamiento es literalmente cosechado o cultivado desde el vacío cuántico para correlacionar fuertemente sistemas sin que nunca tengan que entrar en interacción directa [2,3].

Considerando el entrelazamiento espacial de las fluctuaciones cuánticas del vacío, debería ser posible para un observador que accede a información sobre las fluctuaciones de punto cero en su vecindad local, obtener simultáneamente información sobre las fluctuaciones locales alrededor de un observador distante a través de la correlación no trivial entre los dos observadores inducida por el entrelazamiento del estado del vacío. Por razones que exploraremos, tal acceso instantáneo de información entre sistemas / observadores no locales requiere un canal de comunicación clásico entre los observadores, así como operaciones locales para acceder a las correlaciones del estado de vacío en su región local.

Una versión de esto ya se utiliza para teleportar información entre dos sistemas en lo que se denomina teleportación cuántica. Sin embargo, existen otros casos potenciales de teleportación cuántica, como la teleportación de cantidades físicas mediante la utilización del entrelazamiento universal del campo, como la teleportación de energía entre dos sistemas / observadores a través del entrelazamiento del estado de vacío de sus regiones locales. Esto se denomina teleportación cuántica de energía (QET por sus siglas en inglés).

Consideremos por ejemplo dos observadores que quieren teleportar una cantidad de energía entre ellos utilizando el nexo de entrelazamiento de las fluctuaciones del vacío cuántico, llamémosles Alice y Bob. Como hemos comentado, el campo posee fluctuaciones del punto cero, y la correlación no trivial del campo es inducida por el entrelazamiento del estado de vacío, por lo que si Alice obtiene información sobre una fluctuación local a su alrededor a través de una medición, simultáneamente obtiene alguna información sobre una fluctuación local alrededor de Bob a través de la correlación. Aunque el valor medio de la densidad de energía del vacío en la región de Bob sigue siendo cero después de la medición de Alice, el campo local de Bob en el estado posterior a la medición lleva energía positiva o negativa, dependiendo del resultado de la medición de Alice. Cuando el resultado indica el caso de energía positiva, y Alice envía a Bob un mensaje indicándolo, éste puede programar su operación local para extraer energía del campo tras recibir la información de Alice a través de un canal clásico de comunicación.

_{Figura 1: Alice y Bob teleportan energía mediante la extracción de la densidad de energía del vacío cuántico con una medición local (por parte de Alice) y una operación local (por parte de Bob). Este escenario requiere que Alice comunique información sobre la medición a Bob a través de un canal de comunicación clásico (como una llamada telefónica), y sólo tiene una extracción de energía significativa a distancias cortas. Imagen reproducida de [8].}

La extracción de energía del vacío conduce a una densidad de energía negativa local en el campo, sin embargo, esto se correlaciona con la densidad de energía positiva que fue generada por la excitación del campo producido por la medición de Alice en un lugar remoto. Por lo tanto, el proceso se basa en parte en el hecho de que el vacío puede obtener una densidad de energía negativa, como la observada en el efecto Casimir y el efecto Unruh (véanse nuestros artículos sobre la utilización del efecto Unruh aquí) y, debido a la red de entrelazamiento de la estructura del vacío, una densidad de energía negativa local se equilibra de forma no local con una densidad de energía positiva en un lugar distante.

Este proceso no es una extracción completa de energía del punto cero a partir de fluctuaciones cuánticas, sino una teleportación de energía, porque Bob no puede extraer más energía de la que Alice ha introducido: la energía total se conserva. Y, al igual que en la teleportación de qubits, no hay violación de la relatividad de la simultaneidad porque Bob carece del conocimiento necesario para extraer la energía hasta que llega el texto de Alice, por lo que ningún efecto viaja más rápido que la luz. Eso es la teleportación cuántica de energía en pocas palabras.

Inicialización del protocolo de teleportación cuántica de energía

Los protocolos de la QET consisten en operaciones locales y comunicación clásica. Al medir la fluctuación local inducida por una oscilación del punto cero en el estado básico de un sistema cuántico de muchos cuerpos y anunciar el resultado de la medición a puntos distantes, la energía puede teleportarse de forma efectiva sin romper ninguna ley física, incluidas la causalidad y la conservación de la energía local....

Los campos cuánticos en estados de vacío llevan una cantidad infinita de entrelazamiento cuántico. -Hotta [6]

Este protocolo de teleportación de energía fue desarrollado hace más de 15 años por Masahiro Hotta, físico teórico y profesor adjunto de la Universidad Tohoko de Japón. El protocolo de QET explora la siguiente cuestión: ¿es posible extraer energía a partir de fluctuaciones del punto cero? Curiosamente, la respuesta es más afirmativa de lo que muchos supondrían en un principio, ya que Hotta et alia demostraron teóricamente que la densidad de energía del punto cero puede activarse utilizando herramientas de información cuántica, como la teleportación de información entre qubits.

Como tal, el protocolo de QET se puede realizar experimentalmente mediante el uso de un sistema cuántico multipartito que tiene un estado fundamental entrelazado (fuertemente correlacionado), como una cadena de resonancia de átomos con espín entrelazados, y excitación de energía negativa localizada [4]. El problema con la extracción de energía del estado fundamental entrelazado de un sistema cuántico multipartito, a diferencia de la teleportación de información, es que cualquier acción local que se realice en un solo subsistema (como un átomo en la cadena de resonancia) para extraer energía dará como resultado que la energía se propague a través de la red de entrelazamiento, simplemente aumentando la energía total del sistema; esta restricción tiene un apodo específico, denominado estados pasivos locales fuertes (SLP).

_{Figura 2: FIG. 1: (a) Un estado cuántico se define como pasivo local fuerte (SLP) con respecto a un subsistema si ninguna operación cuántica local general (G) aplicada sobre el subsistema puede extraer energía del sistema. (b) Romper la pasividad local fuerte con operaciones locales y comunicación clásica: (1) una medida local en una subunidad (átomo) y (2) la comunicación clásica del resultado de esa medida a una subunidad distal (U) permite (3) una operación local informada basada en la información comunicada clásicamente, superando la pasividad local fuerte y extrayendo energía de la oscilación del vacío correlacionada del sistema cuántico. Imagen reproducida de [5].}

Sin embargo, existe una forma de activar los estados básicos entrelazados de un sistema cuántico multipartito de manera que la energía inyectada en el sistema pueda extraerse de un único subsistema distal a través de la densidad de energía del vacío local y el entrelazamiento intrínseco del estado de vacío, y de hecho los investigadores han logrado recientemente realizar esta teleportación cuántica de energía de forma empírica. Eduardo Martín-Martínez, ingeniero del espaciotiempo (que aparece en el vídeo anterior describiendo el procedimiento de la cosecha de entrelazamientos), y su equipo de investigación, han presentado la primera activación experimental de estados pasivos locales fuertes y la primera demostración empírica de la teleportación cuántica de energía [5], tal y como propuso originalmente Hotta [6]. Su experimento confirma por primera vez que el establecimiento del entrelazamiento en el estado básico de un sistema cuántico multipartito y la ejecución del protocolo de operación local y comunicación clásica (LOCC) permiten activar la densidad de energía del punto cero localizada sin transferencia de energía a través del sistema: se puede acceder a la energía libre e instantáneamente a través del entrelazamiento intrínseco del campo, esencialmente una teleportación de la cantidad física de energía del sistema cuántico.

Verificación experimental de la QET y extracción de energía del entrelazamiento de las oscilaciones del vacío

El experimento realizado por Eduardo Martín-Martínez, y sus colegas investigadores, utilizó la resonancia magnética nuclear para inducir el entrelazamiento cuántico entre los átomos de carbono de una molécula de polímero orgánico (véase la Figura 3, abajo). Cuando la molécula de polímero orgánico resuena específicamente con campos magnéticos y pulsos de radio procedentes del dispositivo de resonancia magnética nuclear, los investigadores consiguieron inducir el estado básico de los átomos de la molécula para que se entrelazaran cuánticamente. Esto imita el estado intrínseco de correlación espacial en el nexo de entrelazamiento del vacío cuántico.

_{Figura 3. La molécula de polímero orgánico utilizada por Eduardo Martín-Martínez et al. en su experimento del protocolo de QET. Imagen reproducida de [5].}

En primer lugar, el dispositivo de resonancia magnética nuclear emite una serie de impulsos de radio que entrelazan el estado básico de los átomos de carbono indicados por "A" (para Alice) y "B" (para Bob). El átomo de carbono intermedio, "An", podría entonces funcionar metafóricamente como un "mensajero" entre A y B transfiriendo el estado de entrelazamiento de A a An mediante transferencia de resonancia con un pulso de radio secundario. Un pulso final dirigido a B y al átomo intermediario An transmitió simultáneamente la información del estado fundamental excitado de A a B, lo que permitió a B acceder al estado fundamental excitado de A a través de la red de entrelazamiento no local, rompiendo el estado SLP (recuerde la Figura 2) y liberando energía de B.

_{Figura 4. Después de mediciones repetidas, se genera una curva que muestra la cantidad de energía extraída del átomo de carbono B (-ΔEB) frente a las fuerzas de acoplamiento (Κ / h, la fuerza de entrelazamiento) entre los átomos de carbono A y B. Imagen reproducida de [5].}

Como se observa en la figura 4, tras repetidas mediciones, los investigadores registraron una disminución media de la energía del átomo de carbono B, lo que demuestra que la energía se había extraído de la red de entrelazamiento y se había liberado al entorno. Para tener una idea real de cómo se teleportó esencialmente la energía, es importante considerar el marco de tiempo involucrado en todo el proceso de QET. Mientras que normalmente la energía tardaría casi 700 milisegundos en viajar a través de la dispersión normal de A a B a lo largo de la cadena atómica de la molécula de polímero, con el protocolo de QET se informa que no ha tardado más de 37 milisegundos en todo el proceso de transferencia de energía. , unas 20 veces más rápido que el caso clásico de propagación de energía a lo largo de la molécula.

Para demostrar aún más la validez de la teoría de la teleportación de energía -demostrando que no es ciencia ficción, sino física real-, poco después del experimento del protocolo de QET de Eduardo Martín-Martínez et alia se realizó un segundo experimento. Diseñado y realizado por Kazuki Ikeda, antiguo alumno de Hotta, Ikeda demostró la teleportación cuántica de energía con computadores cuánticos en nube reales, utilizando varios de los computadores cuánticos superconductores de IBM, como ibmq_lima, para realizar operaciones cuánticas de puerta en los circuitos cuánticos disponibles [7].

_{Figura 5. Los circuitos cuánticos de Ikeda para el protocolo de QET en las computadoras cuánticas de IBM. Si uno estuviera tan inclinado, estas operaciones de puerta cuántica podrían reproducirse en las computadoras cuánticas superconductoras de uso libre para realizar el protocolo de QET de Ikeda, (consulte su artículo [7] para obtener una descripción detallada si está interesado en hacerlo usted mismo).}

En su artículo, Ikeda establece los circuitos cuánticos que hacen posible la QET con computadores cuánticos reales y redes cuánticas. Él consigue la QET utilizando computadores cuánticos superconductores de IBM aplicando la mitigación cuántica de errores y los resultados concuerdan con la solución exacta de la teoría. Es interesante saber que los computadores cuánticos de IBM están disponibles gratuitamente para todo el mundo, de modo que cualquiera puede reproducir los resultados de este estudio utilizando los circuitos cuánticos que ha proporcionado Ikeda. Esto permite una verificación en tiempo real del protocolo de QET.

Implicaciones y posibles aplicaciones futuras

Existen algunas diferencias clave entre la propuesta original de protocolo de QET de Hotta y los montajes experimentales que han validado las postulaciones de la teleportación cuántica de energía. En las postulaciones originales de Hotta et alia, la correlación espacial de las oscilaciones del vacío cuántico era el medio subyacente a través del cual se podía extraer la densidad de energía del vacío local para la teleportación de energía. En el experimento de Eduardo Martín-Martínez et al., sin embargo, la red de entrelazamiento intrínseca del vacío no intervino directamente, sino que se simuló mediante el entrelazamiento dirigido del estado básico de la molécula de polímero orgánico (a través de los pulsos de radio específicamente programados de la máquina de RMN).

Lo ideal sería que, para hacer realidad el protocolo original de teleportación cuántica de energía de Hotta, la energía del punto cero se obtuviera de sistemas cuyos estados básicos se caracterizaran por el entrelazamiento natural, del mismo modo que los campos cuánticos fundamentales que impregnan el universo.Esto permitiría algunas posibilidades interesantes, como la teleportación cuántica de energía a larga distancia, un método que Hotta describió utilizando un fenómeno cuántico exótico conocido como vacío comprimido [8].

_{Figura 6. Diagrama esquemático de (a) el protocolo de teleportación cuántica de energía (QET) en estado de vacío y (b) la QET en estado comprimido a larga distancia. Imagen reproducida de [8].}

En un protocolo de QET mínimo, la energía que se puede extraer está limitada por la distancia entre dos usuarios del protocolo; el límite superior de la energía es inversamente proporcional a la distancia. En una publicación de 2014, Hotta et al. describieron una metodología para el protocolo de QET que introduce estados de vacío comprimidos con regiones de vacío locales entre dos usuarios del protocolo para superar la limitación de la distancia, lo que permite la teleportación de energía a distancias prácticas.

Como describen Hotta et al., "desde el punto de vista de la información, las correlaciones espaciales de las fluctuaciones de punto cero, incluido el entrelazamiento cuántico, decaen a medida que aumenta la distancia y, por tanto, la cantidad de información para el control a distancia de una fluctuación cuántica se reduce y sólo se dispone de estrategias débiles para extraer energía de la fluctuación de punto cero distante". Desde un punto de vista físico, la energía negativa localizada inducida por un protocolo de QET no puede separarse de la energía positiva inyectada por el dispositivo de medición; de lo contrario, la excitación de energía negativa existiría sin ninguna excitación de energía positiva. Para que la energía total del campo no sea negativa, la excitación de energía negativa requiere una cantidad suficiente de energía positiva a una distancia cercana." [8].

Al inducir un estado de vacío comprimido, la correlación espacial de las fluctuaciones cuánticas con energía cero se mantiene aunque la distancia entre el emisor y el receptor de la QET sea muy grande. La energía negativa inducida por la extracción de energía positiva a través de la QET no se sustenta en la energía positiva inyectada por la medida, sino en la energía de excitación en la región comprimida del estado. La realización experimental de esta propuesta, mediante la adopción de un método de expansión espacial (véase la figura 9), no sólo validaría aún más el protocolo de QET, sino que contribuiría a las aplicaciones de los dispositivos cuánticos y supondría una auténtica revolución en la tecnología de la comunicación cuántica._{Figura 9. Método para lograr la compresión del estado de vacío mediante la modalidad de expansión espacial. El esquema muestra una expansión abrupta del espacio en el que las fluctuaciones cuánticas del campo se estiran mucho. La figura superior representa la fluctuación cuántica en el estado de vacío antes de la expansión, mientras que la figura inferior representa la fluctuación cuántica estirada. para sostener la excitación de energía negativa generada por la extracción de energía (EBf) en B', debe colocarse energía positiva adicional del campo cerca de la excitación de energía negativa. En este protocolo, la energía negativa se sustenta en la energía positiva de la región comprimida, y el entrelazamiento a larga distancia se realiza mediante la expansión abrupta del subespacio entre A' y B'.}

De hecho, ésta es una de las aplicaciones que Ikeda ha descrito tras su exitoso protocolo de QET utilizando circuitos cuánticos de los computadores cuánticos superconductores de IBM. Ikeda describe un mundo en el que las cantidades físicas se teleportan libre e instantáneamente a lugares remotos conectados por una Internet (red) cuántica a gran escala. Ikeda pone como ejemplo la red cuántica SBU/BNL de larga distancia (~158 km) en Long Island, Nueva York [9]. La realización de la QET en una red cuántica, cuyo uso práctico se espera para la década de 2030, sería un hito hacia la realización de la QET en una red cuántica mundial en la que la energía física pueda intercambiarse casi instantáneamente (teleportarse) entre cualquier emisor y receptor, independientemente de la distancia espacial.

RSF en Perspectiva 

Al día de hoy, tanto los científicos como los comentaristas de divulgación siguen inclinándose por referirse al vacío como el vacío y la nada, a pesar de las innumerables demostraciones teóricas y empíricas de la naturaleza sustantiva del vacío cuántico -ejemplos que hemos mencionado en este artículo como el efecto Casimir, el efecto Schwinger y, ahora, la teleportación cuántica de energía. En conjunto, estos numerosos resultados experimentales están verificando que la energía que la teoría cuántica de campos predice que impregna todo el espacio, es muy real y significativa, incluso podemos aprovecharla.

Llegados a este punto, es hora de dejar de referirse al espacio como vacío y al vacío como nada, aunque dé un aire místico a estos experimentos como la teleportación cuántica de energía, en el que los divulgadores de la ciencia pueden exclamar que los físicos han sacado energía "de la nada", promulga una noción común pero errónea de la naturaleza fundamental de nuestra realidad, la nada no existe. Por el contrario, es hora de que los científicos e ingenieros empiecen a tomarse en serio la energía del vacío cuántico y sigan explorando formas de aprovechar el potencial energético casi ilimitado de la densidad de energía del punto cero, para la ingeniería del espaciotiempo, las comunicaciones cuánticas (incluidas las posibles comunicaciones no locales) y, por supuesto, las tecnologías de generación de energía.

Como consideración adicional interesante, hemos discutido antes la teleportación de información y su equivalencia con el tránsito a través de un agujero de gusano atravesable, en nuestro artículo protocolo de teleportación de agujeros de gusano atravesables. El protocolo del agujero de gusano atravesable demostró cómo la teleportación de un estado cuántico era equivalente al envío de un qubit a través de un agujero de gusano atravesable, y muchos lo consideraron una equivalencia holográfica metafórica. Sin embargo, la teleportación de energía obedece ciertamente a la conjetura de correspondencia holográfica ER = EPR tan completamente como el caso de la teleportación de información, aunque aquí tenemos una cantidad física -la energía de un sistema cuántico- que se envía a través de la red de microagujeros de gusano del nexo de entrelazamiento del espaciomemoria. Así, vemos que la equivalencia quizá no sea tan "metafórica" u "holográfica" como muchos minimizadores afirman, y podría ser el paso inicial hacia la teleportación macroscópico real, o el viaje por agujeros de gusano. Ciertamente, otra razón para continuar el estudio y la experimentación de la QET, como la teleportación cuántica de energía a larga distancia que aún no se ha realizado experimentalmente en su totalidad.

Referencias:

[1] W. Brown, “Unified Physics and the Entanglement Nexus of Awareness,” NeuroQuantology, vol. 17, no. 7, pp. 40–52, Jul. 2019, doi: 10.14704/nq.2019.17.7.2519

[2] J. Trevison, K. Yamaguchi, and M. Hotta, “Pure State Entanglement Harvesting in Quantum Field Theory,” Progress of Theoretical and Experimental Physics, vol. 2018, no. 10, Oct. 2018, doi: 10.1093/ptep/pty109

[3] E. Martin-Martinez, E. G. Brown, W. Donnelly, and A. Kempf, “Sustainable entanglement production from a quantum field,” Phys. Rev. A, vol. 88, no. 5, p. 052310, Nov. 2013, doi: 10.1103/PhysRevA.88.052310

[4] M. Hotta, “Quantum Energy Teleportation in Spin Chain Systems,” J. Phys. Soc. Jpn., vol. 78, no. 3, p. 034001, Mar. 2009, doi: 10.1143/JPSJ.78.034001

[5] N. A. Rodríguez-Briones, H. Katiyar, R. Laflamme, and E. Martín-Martínez, “Experimental activation of strong local passive states with quantum information.” arXiv, Mar. 30, 2022. Accessed: Feb. 27, 2023. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/2203.16269

[6] M. Hotta, “A protocol for quantum energy distribution,” Physics Letters A, vol. 372, no. 35, pp. 5671–5676, Aug. 2008, doi: 10.1016/j.physleta.2008.07.007

[7] K. Ikeda, “First Realization of Quantum Energy Teleportation on Superconducting Quantum Hardware”. https://arxiv.org/pdf/2301.02666

[8] M. Hotta, J. Matsumoto, and G. Yusa, “Quantum energy teleportation without a limit of distance,” Phys. Rev. A, vol. 89, no. 1, p. 012311, Jan. 2014, doi: 10.1103/PhysRevA.89.012311

[9] D. Du, P. Stankus, O.-P. Saira, M. Flament, S. Sagona-Stophel, M. Namazi, D. Katramatos, and E. Figueroa,  An elementary 158 km long quantum network connecting room temperature quantum memories, arXiv:2101.12742 (2021) https://arxiv.org/abs/2101.12742