Simplifican la medición del entrelazamiento cuántico entre múltiples partículas

En la teoría cuántica, las interacciones entre partículas crean fascinantes correlaciones -conocidas como entrelazamiento cuántico - que no pueden ser explicadas de ninguna manera conocida en el mundo clásico.

El entrelazamiento es una consecuencia de las reglas probabilísticas de la mecánica cuántica, y parece permitir una conexión instantánea peculiar entre las partículas a grandes distancias, que desafía las leyes de nuestro mundo macroscópico: un fenómeno al que Einstein se refería como la "acción fantasmal a distancia".

Desarrollar protocolos para detectar y cuantificar el entrelazamiento de estados cuánticos de muchas partículas es un desafío clave para los experimentos actuales, porque el fenómeno se vuelve muy difícil de estudiar cuando se trata de muchas partículas.

"Estamos en condiciones de controlar bien conjuntos pequeños de partículas, donde podemos medir el entrelazamiento de un modo relativamente sencillo", dice el físico cuántico Philipp Hauke, de la Universidad de Innsbruck (Austria), en la nota de prensa de ésta recogida por EurekAlert!.

Sin embargo, "cuando estamos tratando con un gran sistema de partículas entrelazadas, esta medición es extremadamente compleja o más bien imposible, porque los recursos necesarios escalan exponencialmente con el tamaño del sistema."

Hauke ​​y Peter Zoller, del Departamento de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria, en colaboración con Markus Heyl, de la Universidad Técnica de Múnich (Alemania), y Luca Tagliacozzo, del ICFO -Instituto de Ciencias Fotónicas- de Barcelona, han encontrado una nueva forma de detectar ciertas propiedades de entrelazamiento de muchas partículas, independientemente del tamaño del sistema y mediante el uso de herramientas de medición estándar.

Susceptibilidad

"Cuando se trata de sistemas más complejos, los científicos tenían que llevar a cabo un gran número de mediciones para detectar y cuantificar el entrelazamiento entre muchas partículas", dice Hauke. "Nuestro protocolo evita este problema y también se puede utilizar para determinar el entrelazamiento en objetos macroscópicos, lo cual era casi imposible hasta ahora."

Con este nuevo método los físicos teóricos pueden utilizar herramientas ya muy conocidas experimentalmente. En su estudio, publicado en la revista Nature Physics, el equipo da ejemplos explícitos para demostrar su sistema: El entrelazamiento de los sistemas de muchas partículas atrapadas en redes ópticas puede ser determinado por espectroscopia láser; y la conocida técnica de dispersión de neutrones puede ser utilizada para medirlo en sistemas de estado sólido.

Como han demostrado los físicos, la información cuántica de Fisher, que representa un testigo fiable del entrelazamiento multipartito genuino, es de hecho medible. Los investigadores han puesto de relieve que el entrelazamiento puede ser detectado mediante la medición de la respuesta dinámica de un sistema causada por una perturbación, que se puede determinar mediante la comparación de las mediciones individuales.

"Por ejemplo, cuando movemos una muestra a través de un campo magnético dependiente del tiempo, se puede determinar la susceptibilidad del sistema al campo magnético a través de los datos de medición y con ello detectar y cuantificar el entrelazamiento interno", explica Hauke.

La metrología cuántica, es decir, las técnicas de medición con mayor precisión que aprovechan la mecánica cuántica, no es el único campo de aplicación importante de este protocolo.

También proporcionará nuevas perspectivas para las simulaciones cuánticas, donde el entrelazamiento cuántico se utiliza como un recurso para el estudio de las propiedades de los sistemas cuánticos. En la física de estado sólido, el protocolo se puede utilizar para investigar el papel del entrelazamiento en sistemas de muchos cuerpos, proporcionando así una comprensión más profunda de la materia cuántica.

Referencia bibliográfica:

Philipp Hauke, Markus Heyl, luca Tagliacozzo y Peter Zoller: Measuring multipartite entanglement through dynamic susceptibilities. Nature Physics (2016). DOI: 10.1038/nphys3700.