El entrelazamiento es de vital importancia para las nuevas tecnologías cuánticas del siglo XXI. Un equipo de investigación germano-austríaco presenta ahora el mayor registro cuántico entrelazado de sistemas controlables individualmente hasta la fecha. que consta de un total de 20 bits cuánticos. Los físicos de Innsbruck, Viena y Ulm están llevando los métodos experimentales y teóricos al límite de lo que es posible actualmente.

Algunas de las nuevas tecnologías cuánticas, que van desde sensores extremadamente precisos hasta computadoras cuánticas universales, requieren una gran cantidad de bits cuánticos para aprovechar las ventajas de la física cuántica. Por lo tanto, físicos de todo el mundo están trabajando para implementar sistemas entrelazados con más bits cuánticos. El récord lo tiene actualmente el grupo de investigación de Rainer Blatt en el Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck. En 2011, los físicos entrelazaron 14 bits cuánticos direccionables individualmente por primera vez y así se dieron cuenta del registro cuántico completamente entrelazado más grande. Ahora, un equipo de investigación dirigido por Ben Lanyon y Rainer Blatt en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria, junto con teóricos de la Universidad de Ulm y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Viena, ha logrado un entrelazamiento controlado de múltiples partículas en un sistema de 20 bits cuánticos. Los investigadores pudieron detectar un entrelazamiento genuino de múltiples partículas entre todos los grupos vecinos de tres, cuatro y cinco bits cuánticos.

Enredo genuino de múltiples partículas

Físicamente, Las partículas entrelazadas no pueden describirse como partículas individuales con estados definidos, pero solo como un sistema completo. Es particularmente difícil entender el entrelazamiento cuando están involucradas numerosas partículas. Aquí, debe hacerse una distinción entre el entrelazamiento de partículas individuales y el entrelazamiento genuino de múltiples partículas. Esto solo puede entenderse como una propiedad del sistema general de todas las partículas involucradas, y no puede explicarse por una combinación de subsistemas enredados.

En el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Innsbruck, El equipo de físicos utilizó luz láser para entrelazar 20 átomos de calcio en un experimento de trampa de iones y observó la propagación dinámica del entrelazamiento de múltiples partículas en este sistema. "Las partículas se entrelazan primero en pares, "describe Lanyon". Con los métodos desarrollados por nuestros colegas en Viena y Ulm, Entonces podemos probar la mayor propagación del entrelazamiento a todos los tripletes de partículas vecinas, la mayoría de cuatrillizos y algunos quintillizos.

Estos métodos de detección fueron desarrollados por el grupo de investigación de Martin Plenio en la Universidad de Ulm y el equipo de Marcus Huber en IQOQI Viena. "Hemos elegido un enfoque MacGyver, ", dice el primer autor Nicolai Friis." Tuvimos que encontrar una manera de detectar el entrelazamiento de múltiples partículas con una pequeña cantidad de configuraciones de medición factibles ".

Los investigadores adoptaron un enfoque complementario:el grupo que rodeaba a Huber y Friis utilizó un método que solo requiere unas pocas mediciones y cuyos resultados pueden evaluarse fácilmente. De este modo, En el experimento se pudo demostrar el entrelazamiento de tres partículas. Los teóricos de Ulm utilizaron una técnica más compleja basada en métodos numéricos. "Aunque esta técnica es eficaz, también alcanza sus límites debido al fuerte aumento en el esfuerzo de computación debido al número de bits cuánticos, "dice Oliver Marty del grupo de investigación de Martin Plenio." Es por eso que la utilidad de este método también llegó a su fin con la detección del entrelazamiento real de cinco partículas ".

Un gran paso hacia la aplicación

“Existen sistemas cuánticos como los gases ultrafríos en los que se ha detectado entrelazamiento entre una gran cantidad de partículas, "dice Nicolai Friis." Sin embargo, el experimento de Innsbruck es capaz de abordar y leer cada bit cuántico individualmente. "Por lo tanto, es adecuado para aplicaciones prácticas como simulaciones cuánticas o procesamiento de información cuántica. Rainer Blatt y su equipo esperan aumentar el número de bits cuánticos en el experimento. "Nuestro objetivo a medio plazo es 50 partículas, ", dice." Esto podría ayudarnos a resolver problemas que las mejores supercomputadoras de hoy todavía no logran ".

Los métodos desarrollados para el experimento de trampa de iones en Innsbruck se utilizarán más ampliamente, los físicos de Ulm y Viena están convencidos. "Queremos ampliar aún más los límites de nuestros métodos, "dicen Friis y Marty". Al explotar las simetrías y enfocarse en ciertos observables, podemos optimizar aún más estos métodos para detectar un entrelazamiento de múltiples partículas aún más extenso.

La investigación fue publicada en Revisión física X .