(Phys.org) —En mecánica cuántica, es imposible medir de forma precisa y simultánea las propiedades complementarias (como la posición y el momento) de un estado cuántico. Ahora en un nuevo estudio, Los físicos han clonado estados cuánticos y han demostrado que, porque los clones están enredados, es posible medir de forma precisa y simultánea las propiedades complementarias de los clones. Estas medidas, Sucesivamente, revelar el estado del sistema cuántico de entrada.

La capacidad de determinar las propiedades complementarias de los estados cuánticos de esta manera no solo tiene implicaciones para la comprensión de la física cuántica fundamental, pero también tiene aplicaciones potenciales para la computación cuántica, criptografía cuántica, y otras tecnologías.

Los físicos Guillame S. Thekkadath y coautores de la Universidad de Ottawa, Ontario, han publicado un artículo sobre la determinación de las propiedades complementarias de los clones cuánticos en un número reciente de Cartas de revisión física .

Como explican los físicos, en el mundo clásico es posible medir simultáneamente los estados complementarios de un sistema con precisión exacta, y hacerlo revela el estado del sistema. Pero como propuso teóricamente Heisenberg en 1927 cuando estaba empezando a desarrollar su famoso principio de incertidumbre, cualquier medición realizada en un sistema cuántico induce una perturbación en ese sistema.

Esta perturbación es mayor cuando se miden propiedades complementarias. Por ejemplo, medir la posición de una partícula alterará su impulso, cambiando su estado cuántico. Estas mediciones conjuntas han intrigado a los físicos desde la época de Heisenberg.

Como forma de evitar la dificultad de realizar mediciones conjuntas, Los físicos han investigado recientemente la posibilidad de hacer una copia de un sistema cuántico, y luego medir de forma independiente una propiedad en cada copia del sistema. Dado que las mediciones se realizan por separado, no se esperaría que se molestaran entre sí, sin embargo, aún revelarían información sobre el sistema cuántico original porque las copias comparten las mismas propiedades que el original.

Esta estrategia encuentra inmediatamente otra restricción cuántica:debido al teorema de no clonación, es imposible hacer una copia perfecta de un estado cuántico. Así que en vez, los físicos en el nuevo estudio investigaron el análogo cuántico más cercano a la copia, que es la clonación óptima. Las partes de los estados de los clones que comparten exactamente las mismas propiedades que las del estado de entrada se denominan "gemelos".

Mientras que las copias teóricas perfectas de un estado cuántico no están correlacionadas, los gemelos están enredados. Los físicos demostraron que, como consecuencia de este enredo, medir independientemente las propiedades complementarias en cada gemelo es equivalente a medir simultáneamente las propiedades complementarias del estado de entrada. Esto conduce al principal resultado del nuevo estudio:que medir simultáneamente las propiedades complementarias de los gemelos da el estado (técnicamente, la función de onda) del sistema cuántico original.

"En mecánica cuántica, las mediciones alteran el estado del sistema que se está midiendo, "Thekkadath dijo Phys.org . "Este es un obstáculo al que se enfrentan los físicos cuando intentan caracterizar sistemas cuánticos como los fotones individuales. En el pasado, Los físicos utilizaron con éxito mediciones muy suaves (conocidas como mediciones débiles) para evitar esta perturbación.

"Como tal, nuestro trabajo no es el primero en determinar propiedades complementarias de un sistema cuántico. Sin embargo, hemos demostrado que se puede utilizar una estrategia diferente. Se basa en una idea bastante ingenua. Supongamos que queremos medir la posición y el momento de una partícula. Sabiendo que estas medidas alterarán el estado de la partícula, ¿Podemos copiar primero la partícula? y medir la posición en una copia y el impulso en la otra? Esta fue nuestra motivación inicial. Pero resulta que copiar solo no es suficiente. Las copias medidas también deben estar entrelazadas para que esta estrategia funcione.

"Esto es lo que mostramos experimentalmente. En lugar de determinar la posición y el momento de una partícula, determinamos las propiedades de polarización complementarias de fotones individuales. Intuitivamente, esperaría que esta estrategia fallara debido al teorema de no clonación. Sin embargo, mostramos que no es el caso, y este es el mayor significado de nuestro resultado:medir las propiedades complementarias de los gemelos revela directamente el estado cuántico del sistema copiado ".

Como explican los físicos, Uno de los aspectos más importantes de la demostración es solucionar las limitaciones del teorema de no clonación.

"En nuestra vida diaria, la información se copia a menudo, como cuando fotocopiamos un documento, o cuando el ADN se replica en nuestros cuerpos, "Thekkadath explicó." Sin embargo, a nivel cuántico, La información no se puede copiar sin introducir ruido o imperfecciones. Sabemos esto por un resultado matemático conocido como teorema de no clonación. Esto no ha impedido que los físicos lo intenten. Desarrollaron estrategias, conocida como clonación óptima, que minimizan la cantidad de ruido introducido por el proceso de copia. En nuestro trabajo, vamos un paso más allá. Demostramos que es posible eliminar este ruido de nuestras mediciones en las copias usando un truco inteligente que fue propuesto teóricamente por Holger Hofmann en 2012. Nuestros resultados no violan el teorema de no clonación ya que nunca producimos físicamente copias perfectas:solo replicar los resultados de medición que se obtendrían con copias perfectas ".

En sus experimentos, los físicos demostraron el nuevo método utilizando gemelos fotónicos, pero esperan que la capacidad de precisar, Las mediciones simultáneas de propiedades complementarias en gemelos también se pueden implementar con computadoras cuánticas. Esto podría dar lugar a muchas aplicaciones prácticas, como proporcionar un método eficiente para medir directamente estados cuánticos de alta dimensión, que se utilizan en computación cuántica y criptografía cuántica.

"Determinar el estado de un sistema es una tarea importante en física, "Thekkadath dijo." Una vez que se determina un estado, se sabe todo sobre ese sistema. Este conocimiento se puede utilizar para, por ejemplo, predecir los resultados de la medición y verificar que un experimento esté funcionando según lo previsto. Esta verificación es especialmente importante cuando se producen estados complicados, como los necesarios en las computadoras cuánticas o la criptografía cuántica.

"Típicamente, los estados cuánticos se determinan tomográficamente, muy parecido a cómo se obtienen las imágenes del cerebro en una tomografía computarizada. Este enfoque tiene la limitación de que el estado siempre se reconstruye globalmente. A diferencia de, nuestro método determina el valor de los estados cuánticos en cualquier punto deseado, proporcionando un método más eficiente y directo que los métodos convencionales para la determinación del estado.

"Demostramos experimentalmente nuestro método utilizando fotones individuales. Pero, nuestra estrategia también es aplicable en una variedad de otros sistemas. Por ejemplo, se puede implementar en una computadora cuántica utilizando solo una puerta lógica cuántica. Anticipamos que nuestro método podría usarse para caracterizar de manera eficiente estados cuánticos complicados dentro de una computadora cuántica ".

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