En el experimento del grupo de Barz con un interferómetro de dos etapas, se utilizan fotones auxiliares para generar patrones de medición distintos para los cuatro estados de Bell, aumentando la eficiencia más allá del límite tradicional del 50%. Crédito: Jon Heras, Cambridge Illustrators
Investigadores de la Universidad de Stuttgart han demostrado que un ingrediente clave para muchos esquemas de comunicación y computación cuántica se puede ejecutar con una eficiencia que excede el límite superior teórico comúnmente supuesto, abriendo así nuevas perspectivas para una amplia gama de tecnologías fotónicas cuánticas.
La ciencia cuántica no sólo ha revolucionado nuestra comprensión de la naturaleza, sino que también está inspirando nuevos e innovadores dispositivos informáticos, de comunicación y de detección. Explorar los efectos cuánticos en tales “tecnologías cuánticas” generalmente requiere una combinación de conocimiento profundo de los principios físicos cuánticos subyacentes, avances metodológicos sistemáticos e ingeniería inteligente. Y es precisamente esta combinación la que los investigadores del grupo del profesor. Stefanie Barz de la Universidad de Stuttgart y el Centro de Ciencia y Tecnología Cuánticas Integradas (IQST) presentaron un estudio reciente en el que mejoraron la eficiencia de un edificio crítico. bloquear muchos dispositivos cuánticos más allá de un límite aparentemente inherente.
Fundamentos históricos: de la filosofía a la tecnología
Una de las protagonistas en el campo de las tecnologías cuánticas es una propiedad conocida como entrelazamiento cuántico. El primer paso en el desarrollo de este concepto implicó un apasionado debate entre Albert Einstein y Niels Bohr. En resumen, su argumento giraba en torno a cómo se puede compartir información entre múltiples sistemas cuánticos. Es importante destacar que esto puede suceder de maneras que no tienen análogos en la física clásica.
La discusión iniciada por Einstein y Bohr siguió siendo en gran medida filosófica hasta la década de 1960, cuando el físico John Stewart Bell desarrolló una manera de resolver experimentalmente el desacuerdo. La estructura de Bell se exploró por primera vez en experimentos con fotones, los cuantos de luz. Tres pioneros en este campo –Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger– recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física el año pasado por su trabajo pionero en tecnologías cuánticas.
El propio Bell murió en 1990, pero su nombre ha quedado inmortalizado principalmente en los llamados Bell States. Estos describen los estados cuánticos de dos partículas que están lo más fuertemente entrelazadas posible. Hay cuatro estados de Bell en total, y las mediciones de los estados de Bell (que determinan en cuál de los cuatro estados se encuentra un sistema cuántico) son una herramienta esencial para poner en práctica el entrelazamiento cuántico. Quizás lo más famoso es que las mediciones del estado de Bell son el componente central de la teletransportación cuántica, que a su vez hace posible la mayor parte de la comunicación y la computación cuánticas.
La configuración experimental se compone exclusivamente de los llamados componentes lineales, como espejos, divisores de haz y placas onduladas, lo que garantiza la escalabilidad. Crédito: Fotografía La Rici
Pero surge un problema: cuando se realizan experimentos con elementos ópticos convencionales como espejos, divisores de haz y placas ondulatorias, dos de los cuatro estados de Bell tienen firmas experimentales idénticas y, por tanto, no se pueden distinguir entre sí. Esto significa que la probabilidad general de éxito (y por tanto la tasa de éxito de, digamos, un experimento de teletransportación cuántica) está inherentemente limitada al 50 por ciento si sólo se utilizan estos componentes ópticos «lineales». ¿O es eso?
Un salto más allá de las limitaciones: con todas las comodidades
Aquí es donde entra en juego el trabajo del grupo Barz. Como informaron recientemente en la revista Science Advances, los investigadores doctorales Matthias Bayerbach y Simone D’Aurelio realizaron mediciones del estado de Bell en las que lograron una tasa de éxito del 57,9 por ciento. Pero, ¿cómo lograron una eficiencia que no debería haber sido posible con las herramientas disponibles?
Su excelente resultado fue posible utilizando dos fotones adicionales junto con el par de fotones entrelazados. Se sabe, en teoría, que estos fotones “ayudantes” ofrecen una forma de realizar mediciones del estado de Bell con una eficiencia superior al 50%. Sin embargo, la realización experimental siguió siendo difícil de alcanzar. Una razón para esto es que se necesitan detectores sofisticados que resuelvan la cantidad de fotones que caen sobre ellos.
Bayerbach y D’Aurelio superaron este desafío utilizando 48 detectores de fotón único que funcionan en sincronía casi perfecta para detectar los estados precisos de hasta cuatro fotones que llegan al conjunto de detectores. Con esta capacidad, el equipo pudo detectar distribuciones distintas de números de fotones para cada estado de Bell, aunque con cierta superposición para los dos estados originalmente indistinguibles, razón por la cual la eficiencia no podía exceder el 62,5 por ciento ni siquiera en teoría. Pero se ha superado la barrera del 50%. Además, la probabilidad de éxito podría en principio ser arbitrariamente cercana al 100 por ciento, a costa de tener que añadir un mayor número de fotones auxiliares.
Brillantes perspectivas para el futuro
Además, el experimento más sofisticado está plagado de imperfecciones, y esta realidad debe tenerse en cuenta al analizar los datos y predecir cómo funcionaría la técnica en sistemas más grandes. Por ello, los investigadores de Stuttgart colaboraron con el Prof. Peter van Loock, teórico de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia y uno de los arquitectos del esquema de medición del estado de Bell asistido por ancilla. Van Loock y Barz son miembros de la colaboración PhotonQ, financiada por el BMBF, que reúne a socios académicos e industriales de toda Alemania que trabajan para crear un tipo específico de computadora cuántica fotónica. El esquema mejorado de medición del estado de Bell es ahora uno de los primeros frutos de este esfuerzo de colaboración.
Aunque el aumento de la eficiencia del 50 al 57,9 por ciento puede parecer modesto, proporciona una gran ventaja en escenarios donde es necesario realizar una serie de mediciones secuenciales, por ejemplo en la comunicación cuántica de larga distancia. Para tal ampliación, es esencial que la plataforma óptica lineal tenga una complejidad instrumental relativamente baja en comparación con otros enfoques.
Métodos como los establecidos ahora por el grupo Barz amplían nuestro conjunto de herramientas para hacer un buen uso del entrelazamiento cuántico en la práctica: oportunidades que se están explorando ampliamente en la comunidad cuántica local en Stuttgart y en Baden-Württemberg, bajo el paraguas de iniciativas como la larga -investigación permanente IQST y la red QuantumBW recientemente inaugurada.
Referencia: “Medición del estado de campana que supera el 50 % de probabilidad de éxito con óptica lineal” por Matthias J. Bayerbach, Simone E. D’Aurelio, Peter van Loock y Stefanie Barz, 9 de agosto de 2023, Avances científicos.
DOI: 10.1126/sciadv.adf4080
El trabajo contó con el apoyo de la Fundación Carl Zeiss, el Centro de Ciencia y Tecnología Cuánticas Integradas (IQST), la Fundación Alemana de Investigación (DFG), el Ministerio Federal de Educación e Investigación (proyectos BMBF, SiSiQ y PhotonQ) y el Ministerio Federal. de Asuntos Económicos y Acción Climática (BMWK, proyecto PlanQK).
