Se usa el principio de incertidumbre para detectar entrelazamiento de fotones compartidos entre cuatro localizaciones

Científicos del Instituto Tecnológico de California (Caltech) han desarrollado un método eficiente para detectar entrelazamiento entre múltiples partes de un sistema óptico. Demostraron cómo el entrelazamiento, en forma de rayos de luz propagándose simultáneamente a lo largo de cuatro caminos distintos, puede ser detectado con un número sorprendentemente pequeño de medidas. El entrelazamiento es un recurso esencial en la ciencia de la información cuántica, que es el estudio de la computación avanzada y la comunicación basadas en las leyes de la mecánica cuántica.

En el ejemplar del 8 de mayo de la revista Science, H. Jeff Kimble, Profesor William L. Valentine y Profesor de Física en Caltech, y sus colegas demostraron por primera vez que las relaciones de incertidumbre cuántica pueden usarse para identificar estados entrelazados de luz que sólo están disponibles en el dominio de la mecánica cuántica. Su aproximación se basa en el famoso Principio de Incertidumbre de Heisenberg, el cual coloca una limitación en la precisión con la que se puede conocer simultáneamente la posición y momento de una partícula.

El entrelazamiento que yace en el corazón de la física cuántica, es un estado en el que las partes de un sistema compuesto está más poderosamente correlacionadas de lo que es posible en sus homólogos clásicos, sin importar la distancia que los separe.

El entrelazamiento en un sistema con más de dos partes, o entrelazamiento multipartito, es una herramienta crítica para diversas aplicaciones en la ciencia de la información cuántica, tales como metrología cuántica, computación y comunicación. En el futuro, una “Internet cuántica” dependerá del entrelazamiento para el teletransporte de estados cuánticos de un lugar a otro (para una revisión reciente ver H. J. Kimble, Nature 453, 1023 (2008)).

“Durante algún tiempo los físicos han estudiado el entrelazamiento de dos partes – o entrelazamiento bipartito – y las técnicas para clasificar y detectar el entrelazamiento entre dos partes de un sistema compuesto se conocen bastante bien”, dice Scott Papp, profesor de posdoctorado y uno de los autores del artículo. “Pero ese no es el caso para los estados multipartitos. Dado que contienen más de dos partes, su clasificación es mucho más rica, detectar su entrelazamiento es extremadamente complejo”.

En el experimento de Caltech, un pulso de luz se generó conteniendo un único fotón – un paquete sin masa, con propiedades de onda y partícula, que es la unidad básica de radiación electromagnética. El equipo dividió el único fotón para generar un estado entrelazado de luz en el cual las amplitudes de onda para el fotón se propagan entre cuatro caminos distintos, todos a la vez. Este estado conocido como W desempeña un importante papel en la ciencia de la información cuántica.

Para permitir futuras aplicaciones de estados W multipartitos, el entrelazamiento contenido en ellos debe detectarse y caracterizarse. Esta tarea es compleja debido al hecho de que el entrelazamiento en los estados W puede hallarse entre todos las partes, pero también entre un subconjunto de ellas.

Para distinguir entre estos dos casos en experimentos del mundo real, los coautores Steven van Enk y Pavel Luogovski de la Universidad de Oregón desarrollaron una novedosa aproximación a la detección del entrelazamiento basada en el principio de incertidumbre. (Ver también el reciente artículo teórico de van Enk, Lougovski, y el grupo de, “Verifying multi-partite mode entanglement of W states” en http://xxx.lanl.gov/abs/0903.0851.)

La demostración de la detección del entrelazamiento en estados W multitpartitos es la clave del avance en el trabajo del grupo de Caltech.

La nueva aproximación a la detección del entrelazamiento hace uso de medidas no locales de un fotón propagándose por los cuatro caminos. Las medidas indican si un fotón está presente, pero no ofrece información sobre el camino que toma.

“La incertidumbre cuántica asociada a estas medidas nos ha permitido estimar el nivel de correlación entre los cuatro caminos a través de los que un único fotón se propaga simultáneamente, comparando con la mínima incertidumbre posible para cualquier estado menos entrelazado”, dice Kyung Soo Choi, estudiante graduado de Caltech y uno de los autores del artículo.

Las correlaciones de los caminos sobre un cierto nivel significa entrelazamiento entre todos los caminos; incluso los estados W parcialemtne entrelazados no logran un nivel similar de correlación. Una característica clave de esta aproximación es que sólo un relativo número de medidas puede llevarse a cabo.

Debido a su estructura fundamental, el entrelazamiento de los estados W persiste incluso en la presencia de algunas fuentes de ruido. Ésta es una característica importante para las aplicaciones del mundo real de estados W en entornos ruidosos. Los experimentos de Caltech han probado de forma directa esta propiedad perturbando las correlaciones subyacentes de los estados entrelazados. Cuando las correlaciones se debilitan deliberadamente, existe una reducción en el número de caminos del sistema óptico que quedan entrelazados. Y aún así, como predice la estructura de estados W, el entrelazamiento perdura entre un subconjunto de caminos.

“Nuestro trabajo introducir un nuevo protocolo de detección de una clase importante de entrelazamiento con fotones aislados”, explica Papp. “Esto señala el cada vez mayor control que tenemos en el laboratorio para estudiar y manipular los estados cuánticos de luz y materia”.

Ahora, los investigadores planean aplicar su técnica a estados entrelazados de átomos. Estos esfuerzos se basarán en avances anteriores del Grupo de Óptica Cuántica de Caltech, incluyendo el cartografiado del entrelazamiento fotónico hacia y desde una memoria cuántica (http://media.caltech.edu/press_releases/13115), y la distribución del entrelazamiento entre los nodos de una red (http://media.caltech.edu/press_releases/12969).

El artículo, “Characterization of Multipartite Entanglement for One Photon Shared Among Four Optical Modes“, aparece en el ejemplar del 8 de mayo de la revista Science. Los autores son Scott B. Papp, Kyung Soo Choi (cuya contribución al trabajo fue igual a la de Papp), y H. Jeff Kimble de Caltech; Hui Deng, antiguo profesor de posdoctorado de Caltech, ahora en la Universidad of Michigan en Ann Arbor; y Pavel Lougovski y S. J. van Enk de la Universidad de Oregón. Van Enk también está asociado al Instituto de Información Cuántica de Caltech.

El trabajo fue patrocinado por la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzados de Inteligencia, la Fundación Nacional de Ciencia y Tecnología Espacial Northrop Grumman.


Fecha Original: 8 de mayo de 2009
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