El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Y sus socios han logrado un gran avance en la comprensión de la estructura del entrelazamiento en sistemas cuánticos con interacciones de largo alcance.

Entrelazamiento, los investigadores dicen, es un recurso crucial que se puede aprovechar para una comunicación ultrasegura, medición "fantásticamente precisa", relojes exquisitos y otros horarios, así como computadoras con una potencia sin precedentes.

Mecánica cuántica, o la teoría física que gobierna el mundo microscópico, predice muchos comportamientos extraños y contrarios a la intuición, dijo el físico de ARL Dr. Michael Foss-Feig. "Por extraños que parezcan estos comportamientos, hay pocas dudas de que son reales. A lo largo del siglo XX, las predicciones de la mecánica cuántica han sido probadas y verificadas en muchos experimentos en sistemas microscópicos, como los átomos individuales ".

Foss-Feig señaló que a principios del siglo XXI, Una de las fronteras más emocionantes de la física cuántica es controlar este extraño comportamiento de manera tan completa que pueda extraerse de los sistemas macroscópicos. por ejemplo, gases ultrafríos que contienen millones de átomos. Dijo que si esto se puede lograr, Seguirá una ganancia inesperada de aplicaciones relevantes para el Departamento de Defensa.

El laboratorio se asoció con el Joint Quantum Institute y Caltech. Su avance dependió de la comprensión de un comportamiento extraño conocido como entrelazamiento cuántico.

En física clásica, describir el estado de dos objetos no es mucho más difícil que describir el estado de un objeto. "Por ejemplo, si tú y yo tenemos una bombilla y queremos describirlos a los dos, podríamos decir 'el mío está encendido, y el tuyo está apagado ', y eso arreglaría las cosas. Pero si estas bombillas se enredan, entonces no se puede decir que ninguno esté encendido o apagado, y en cierto sentido, cada uno puede activarse y desactivarse al mismo tiempo, ", explicó." En lugar de asignar a cada bombilla un estado definido de 'encendido' o 'apagado', tenemos que describir qué tan probable es que tengamos cada combinación posible de 'encendido' y 'apagado' ".

En sistemas macroscópicos que constan de muchos objetos cuánticos, las consecuencias del enredo son profundas, él dijo.

Si bien la estrategia clásica para describir muchas bombillas sigue siendo simple ("la primera está encendida, el siguiente está apagado ..., el último está en "), una colección de bombillas enredadas debe describirse asignando una probabilidad a todas las formas posibles en que se pueden encender las bombillas. Debido a que la cantidad de formas en que se pueden encender o apagar muchas bombillas crece muy rápidamente (exponencialmente) con la cantidad de bombillas, Los grandes sistemas cuánticos contienen mucha más información que los sistemas clásicos de tamaño comparable. Esta extraña observación juega un papel crucial en la capacidad de los grandes sistemas cuánticos para realizar tareas difíciles, pero también causa profundas dificultades para describir y predecir su comportamiento.

Quizás la idea más profunda sobre el enredo que se ha hecho en las últimas décadas es que el ejemplo de la bombilla es a menudo demasiado ingenuo.

"De hecho, existe una estructura simplificadora de los patrones de entrelazamiento que pueden formarse en sistemas físicos 'razonables', como aquellos en los que las partículas solo interactúan en distancias cortas, ", Dijo Foss-Feig." Esta estructura, llamada la 'ley del área', dice que el enredo es una propiedad local. Como resultado, Los sistemas grandes, si obedecen la ley del área, no son mucho más difíciles de describir que los sistemas pequeños. Esta estructura también sugiere que si queremos aprovechar grandes sistemas cuánticos como herramientas para realizar tareas difíciles, puede ayudar diseñarlos para que sean (al menos un poco) 'irrazonables' ".

Foss-Feig dijo que una forma muy natural de hacerlo es dotar a un sistema cuántico de interacciones de largo alcance.

"Por ejemplo, un gas de moléculas puede ser polarizado por un campo eléctrico para que interactúen a largas distancias como diminutos dipolos eléctricos, " él dijo.

Pero el largo alcance que deben tener esas interacciones antes de que un sistema se libere de la ley del área es una pregunta difícil que el equipo de investigación conjunta espera responder.

En un artículo reciente publicado en la revista Cartas de revisión física , los investigadores dieron un primer paso importante hacia una respuesta al proporcionar una prueba matemática de que los sistemas con interacciones de largo alcance aún obedecen la ley del área siempre que las interacciones no sean de largo alcance. Este trabajo ayuda a precisar la línea elusiva que diferencia los sistemas cuánticos que se pueden describir de manera eficiente de los que no. En el futuro, los autores esperan explotar la estructura de esta prueba para comprender mejor los ingredientes mínimos necesarios para diseñar sistemas cuánticos que posean más (y más complejos) entrelazamientos.