Intercambio de entrelazamiento cuántico

Idea de la mecánica cuántica

El intercambio de entrelazamientos cuánticos es una idea esencial en las redes cuánticas . Implica el uso de aspectos de la mecánica cuántica para extender el entrelazamiento de un par de partículas a otro, incluso si esas nuevas partículas nunca han interactuado antes. Este proceso es muy importante para construir redes de comunicación cuántica , lo que permite la teletransportación cuántica y el avance de la computación cuántica .

Historia

La idea del intercambio de entrelazamiento cuántico surgió de los físicos Marek Żukowski , Anton Zeilinger , Michael A. Horne y Artur K. Ekert en 1993. Su artículo en Physical Review Letters presentó que uno puede extender el entrelazamiento de un par de partículas a otro usando un método llamado medición del estado de Bell . ^[1]

Anton Zeilinger, colaborador clave en la realización experimental del intercambio de entrelazamientos

Artur K. Ekert, concepto clave del intercambio de entrelazamientos en 1993, que contribuyó significativamente a la criptografía cuántica y la comunicación cuántica

Hitos históricos clave

• 1993 : Żukowski y su equipo propusieron por primera vez el concepto de intercambio de entrelazamientos. ^[1]
• 1998 : Jian-Wei Pan y su grupo realizaron el primer experimento sobre intercambio de entrelazamientos. Utilizaron fotones entrelazados para demostrar una transferencia exitosa de entrelazamientos entre pares que nunca habían interactuado. ^[2]
• Década de 2000 : Experimentos posteriores llevaron esto más allá, haciéndolo funcionar en distancias más largas y con estados cuánticos más complejos . ^{[ cita requerida ]}
• 2017 : Se demostró en experimentos basados ​​en satélites, lo que permite la distribución del entrelazamiento a lo largo de 1200 kilómetros. ^[3]

Concepto

Principios básicos

El intercambio de entrelazamiento cuántico tiene tres pares de partículas entrelazadas: (A, B), (C, D) y (E, F). Las partículas A y B están entrelazadas inicialmente, al igual que C y D. Al aplicar un proceso llamado medición del estado de Bell a una partícula de cada par (como B y C), las partículas no medidas (A y D) pueden enredarse. Esto sucede sin ninguna interacción directa entre ellas. ^{[4] [5]}

La medición colapsa los estados de B y C en uno de los cuatro estados de Bell . Debido a las leyes de la mecánica cuántica, ^[2] esto determina instantáneamente el estado de A y D.

Representación matemática

En mecánica cuántica, un estado de Bell se puede utilizar para representar dos partículas en un sistema entrelazado. La expresión matemática para el proceso de intercambio es:

$${\displaystyle \left|\psi \right\rangle _{AB}\otimes \left|\psi \right\rangle _{CD}\xrightarrow {{\text{BSM}}_{BC}} \left|\psi \right\rangle _{AD}}$$

En esta expresión, se refiere al estado de las partículas X e Y mientras que BSM indica la medición del estado de Bell. ${\displaystyle \left|\psi \right\rangle _{XY}}$

Desarrollo y expansiones

Repetidores cuánticos y comunicación a larga distancia

Uno de los usos principales del intercambio de entrelazamiento cuántico es la creación de repetidores cuánticos. Estos dispositivos ayudan a extender las redes de comunicación cuántica al permitir que el entrelazamiento se comparta en regiones extensas. Realizar el intercambio de entrelazamiento en ciertos puntos actúa como si se retransmitiera información sin pérdida. ^{[6] [7]}

Entrelazamiento de múltiples partículas

La idea del intercambio de entrelazamiento cuántico puede desarrollarse más en configuraciones de múltiples partículas. Pueden llevar al descubrimiento de formas de crear estados entrelazados complejos conocidos como estados GHZ ( estados Greenberger-Horne-Zeilinger ). Estos estados son cruciales para la corrección de errores cuánticos y la creación de computadoras cuánticas tolerantes a fallas . ^[8]

Comunicación cuántica basada en satélites

Los experimentos sobre comunicación cuántica basada en satélites mostraron cómo el entrelazamiento puede vincular estaciones terrestres a través de satélites mientras se utiliza el intercambio de entrelazamiento para aumentar el alcance. ^{[ cita requerida ]}

Aplicaciones

Teletransportación cuántica

El intercambio de entrelazamientos desempeña un papel esencial en la teletransportación cuántica , donde el estado de una partícula puede enviarse de un punto a otro sin mover la partícula misma. Esto se basa en el uso de pares entrelazados a través del proceso de intercambio. ^[9]

Criptografía cuántica

En el campo de la criptografía cuántica , ayuda a proteger mejor los canales de comunicación. Al utilizar entrelazamientos intercambiados entre pares de partículas, es posible generar claves de cifrado seguras que deberían estar protegidas contra escuchas no autorizadas. ^[10]

Redes cuánticas

El intercambio de entrelazamiento cuántico también sirve como una tecnología central para diseñar redes cuánticas , donde muchos nodos (como computadoras cuánticas o puntos de comunicación) se vinculan a través de estas conexiones especiales creadas por enlaces entrelazados. Estas redes permiten transferir información cuántica de manera segura a través de largas rutas y contribuyen significativamente a la construcción de la emergente Internet cuántica. ^{[ cita requerida ]}

Referencias

1. Żukowski, M. ; Zeilinger, A. ; Horne, MA ; Ekert, AK (27 de diciembre de 1993). "Experimento de Bell "Detectores listos para eventos" mediante intercambio de entrelazamiento". Phys. Rev. Lett. 71 : 4287. doi :10.1103/PhysRevLett.71.4287 . Consultado el 1 de septiembre de 2024 .
2. Pan, J.-W.; Bouwmeester, D.; Weinfurter, H.; Zeilinger, A. (1998). "Intercambio de entrelazamiento experimental: entrelazamiento de fotones que nunca interactuaron". Phys. Rev. Lett. 80 (18): 3891–3894. doi :10.1103/PhysRevLett.80.3891.
3. Yin, Juan; Cao, Yuan; Li, Yu-Huai; et al. (2017). "Distribución de entrelazamiento basada en satélites a lo largo de 1200 kilómetros". Science . 356 (6343): 1140–1144. arXiv : 1707.01339 . doi :10.1126/science.aan3211.
4. Ji, Zhaoxu; Fan, Peiru; Zhang, Huanguo (2022). "Intercambio de entrelazamiento para estados de Bell y estados de Greenberger–Horne–Zeilinger en sistemas cúbit". Physica A : Mecánica estadística y sus aplicaciones (585): 126400. doi :10.48550/arXiv.1911.09875.
5. Ji, Zhaoxu; Fan, Peiru; Zhang, Huanguo. "Teoría del intercambio de entrelazamientos y más allá". arxiv.org . Consultado el 1 de septiembre de 2024 .
6. Shchukin, Evgeny; van Loock, Peter (13 de abril de 2022). "Intercambio de entrelazamiento óptimo en repetidores cuánticos". Phys. Rev. Lett. 128 : 150502. arXiv : 2109.00793 . doi :10.1103/PhysRevLett.128.150502 . Consultado el 1 de septiembre de 2024 .
7. Briegel, H.-J.; Dür, W.; Cirac, JI; Zoller, P. (1998). "Repetidores cuánticos: el papel de las operaciones locales imperfectas en los mensajes cuánticos". Phys. Rev. Lett. 81 (26): 5932.
8. Lu, Chao-Yang; Yang, Tao; Pan, Jian-Wei (10 de julio de 2009). "Intercambio experimental de entrelazamiento de múltiples partículas para redes cuánticas". Física. Rev. Lett. 103 (020501): 1–4. doi : 10.1103/PhysRevLett.103.020501 . Consultado el 1 de septiembre de 2024 .
9. Hu, Xiao-Min; Guo, Yu; Liu, Bi-Heng; Li, Chuan-Feng; Guo, Guang-Can (2023). "Avances en la teletransportación cuántica". Nat. Rev. Phys. 5 : 339–353. doi : 10.1038/s42254-023-00588-x . Consultado el 1 de septiembre de 2024 .
10. Gisin, N.; Ribordy, G.; Tittel, W.; Zbinden, H. (2002). "Criptografía cuántica" (PDF) . Rev. Mod. Phys. 74 (1): 145–195. doi :10.1103/RevModPhys.74.145.

Lectura adicional

• Nielsen, MA; Chuang, I L. (2000). Computación cuántica e información cuántica . Cambridge University Press . ISBN 978-1-107-00217-3.OCLC 844974180  .
• Bouwmeester, D.; Ekert, A.; Zeilinger, A. (2000). La física de la información cuántica: criptografía cuántica, teletransportación cuántica, computación cuántica . Springer. doi :10.1007/978-3-662-04209-0. ISBN . 978-3-540-66778-0.

Enlaces externos

• "Entrelazamiento cuántico". Enciclopedia de filosofía de Stanford .
• "Comunicación cuántica e intercambio de entrelazamientos". Physics World .
• "Investigación sobre el intercambio de entrelazamiento cuántico". arXiv.org .