La iluminación cuántica es un paradigma para la detección de objetivos que emplea entrelazamiento cuántico entre un modo electromagnético de señal y un modo electromagnético inactivo, así como la medición conjunta de estos modos. El modo de señal se propaga hacia una región del espacio y se pierde o se refleja, dependiendo de si un objetivo está ausente o presente, respectivamente. En principio, la iluminación cuántica puede ser beneficiosa incluso si el entrelazamiento original queda completamente destruido por un entorno ruidoso y con pérdidas.
Muchas aplicaciones de información cuántica , como la teletransportación cuántica , [1] la corrección de errores cuánticos y la codificación superdensa , se basan en el entrelazamiento. Sin embargo, el entrelazamiento es una propiedad cuántica frágil entre partículas y puede destruirse fácilmente por la pérdida y el ruido que surgen de la interacción con el medio ambiente, lo que lleva a la decoherencia cuántica . algunos demostraron que, aunque el entrelazamiento en sí mismo puede no sobrevivir, la correlación residual entre los dos sistemas inicialmente entrelazados sigue siendo mucho más alta de lo que cualquier estado clásico inicial puede proporcionar. Esto implica que el uso del entrelazamiento no debe descartarse en escenarios de ruptura del entrelazamiento.
La iluminación cuántica aprovecha estas correlaciones residuales más fuertes que las clásicas entre dos sistemas para lograr una mejora del rendimiento en todos los esquemas basados en la transmisión de estados clásicos con niveles de potencia comparables. Se ha demostrado que la iluminación cuántica es particularmente útil en entornos muy ruidosos.
El concepto de iluminación cuántica fue introducido por Seth Lloyd y sus colaboradores en el MIT en 2008. Esto incluía una versión de variable discreta [2] y una versión de variable continua desarrollada en colaboración con Jeffrey Shapiro , Stefano Pirandola, Saikat Guha y otros, [3 ] esta última versión se basa en estados gaussianos. [4]
La configuración básica de la iluminación cuántica es la detección de objetivos. Aquí el emisor prepara dos sistemas entrelazados, llamados señal e inactivo. La rueda loca se retiene mientras se envía la señal para probar la presencia de un objeto de baja reflectividad en una región con ruido de fondo brillante. Luego, la reflexión del objeto se combina con el sistema loco retenido en una medición cuántica conjunta que proporciona dos resultados posibles: objeto presente u objeto ausente. Más precisamente, el proceso de sondeo se repite muchas veces para que se recopilen muchos pares de sistemas de señales inactivas en el receptor para la detección cuántica conjunta.
La ventaja del esquema es evidente a bajas energías donde el número medio de fotones en cada sistema de señal es muy bajo (del orden de un fotón o menos). En este caso, a baja energía fija, la probabilidad de éxito en la detección de un objetivo tiene una mejora notable con respecto a los esquemas de detección clásicos, donde no se utiliza el entrelazamiento y los sistemas de señales se preparan en estados coherentes (técnicamente, hay una mejora de 6 dB). en el exponente de error [3] ). Una característica clave de la iluminación cuántica es que el entrelazamiento entre el sistema inactivo y el sistema de señal reflejada se pierde por completo en el proceso. Sin embargo, las correlaciones cuánticas residuales entre estos dos sistemas (señal reflejada por el inactivo) siguen siendo tan fuertes que solo podrían crearse por la presencia de entrelazamiento en los sistemas iniciales (señal inactiva). Debido a que la señal reflejada está correlacionada cuánticamente con el sistema inactivo retenido, se puede distinguir entre todos los fotones térmicos de fondo no correlacionados que también recibe el detector. Gracias a este etiquetado cuántico de los sistemas, la detección de la iluminación cuántica es muy eficaz.
En 2015, una colaboración internacional coordinada por Stefano Pirandola [5] [6] amplió el protocolo de iluminación cuántica a las frecuencias de microondas, proporcionando así el primer prototipo teórico de radar cuántico .
La propuesta original de [3] se analizó en el entorno bayesiano de prueba de hipótesis , en el que se asignan probabilidades previas a las hipótesis de que el objetivo está ausente o presente. En 2017, un artículo de investigación [7] analizó la iluminación cuántica en el entorno de Neyman-Pearson o asimétrico de prueba de hipótesis, que es un entorno de interés en las aplicaciones de radar cuántico . Se descubrió que las ganancias de rendimiento de la iluminación cuántica son incluso mayores que las de. [3]
En 2017, Quntao Zhuang, Zheshen Zhang y Jeffrey Shapiro propusieron un diseño de receptor óptimo . [8] La iluminación cuántica también se ha extendido al escenario de desvanecimiento del objetivo . [9]
En 2020, Ranjith Nair y Mile Gu derivaron los límites definitivos para la iluminación cuántica, que permiten un número arbitrario de modos ópticos entrelazados con una memoria cuántica, para todos los niveles de ruido de fondo. [10] Los resultados también mostraron que la mejora de 6 dB no se puede superar y sólo se puede lograr con un ruido de fondo muy grande.
En 2009, se propuso un esquema de comunicación segura basado en iluminación cuántica [11] . Este esquema es una variante de los protocolos criptográficos cuánticos basados en variables continuas y comunicación cuántica bidireccional introducidos por Stefano Pirandola, Seth Lloyd y colaboradores [12] en 2008.
En 2013, Lopaeva et al. aprovechó las correlaciones del número de fotones, en lugar del entrelazamiento, en un experimento de detección de objetivos subóptimo. [13] Para ilustrar el beneficio del entrelazamiento cuántico , en 2013 Zhang et al. informaron sobre un experimento de comunicación segura basado en iluminación cuántica y demostraron por primera vez que el entrelazamiento puede permitir una ventaja sustancial de rendimiento en presencia de decoherencia cuántica . [14] En 2015, Zhang et al. aplicó iluminación cuántica en la detección y demostró que el empleo del entrelazamiento puede producir una relación señal-ruido más alta que la que puede proporcionar el esquema clásico óptimo, a pesar de que el entorno ruidoso y con muchas pérdidas destruye por completo el entrelazamiento inicial. [15] [16] Este experimento de detección demostró así las propuestas teóricas originales de la iluminación cuántica. El primer esfuerzo experimental para realizar iluminación cuántica por microondas se basó en el uso de un amplificador paramétrico Josephson y un receptor digital. [17] [18] Aplicado a las imágenes, en 2019 England et al. Demostró este principio al obtener imágenes a través del ruido en una configuración de escaneo. [19] El primer sistema de imágenes de campo completo basado en iluminación cuántica que utiliza pares de fotones entrelazados espacialmente para obtener imágenes en presencia de ruido y pérdidas fue informado en dos publicaciones sucesivas en 2019 [20] y 2020 [21] por dos investigadores. grupos de la Universidad de Glasgow.
Las aplicaciones potenciales de la iluminación cuántica incluyen la detección de objetivos en entornos con mucho ruido de fondo, pero también imágenes y sensores biológicos ultrasensibles y comunicación segura .
Varios artículos de noticias sobre iluminación cuántica han aparecido en medios de divulgación científica, [22] [23] con el objetivo de dilucidar el concepto de iluminación cuántica en términos menos técnicos.