El profesor asociado de física de la Universidad Estatal de Luisiana, Mark M. Wilde, y su colaborador han resuelto un problema de hace 20 años en la teoría de la información cuántica sobre cómo calcular el costo del entrelazamiento, una forma de medir el entrelazamiento, de una manera que sea eficientemente computable. útil, y ampliamente aplicable en varias áreas de investigación cuántica.

En un nuevo artículo publicado en Cartas de revisión física , Wilde y el coautor, el Dr. Xin Wang de Baidu Research, describen cómo permitir una gama ligeramente más amplia de operaciones físicas que lo que se conoce como LOCC (operaciones locales y comunicación clásica), que ha dejado atónitos a los científicos cuánticos con matemáticas difíciles durante algún tiempo, lo hace posible. para caracterizar el costo de entrelazamiento exacto de un estado cuántico dado. Su trabajo cierra una investigación de larga data sobre la teoría del entrelazamiento que se conoce como el "costo de entrelazamiento exacto PPT de un estado cuántico".

La ciencia de la información cuántica tiene como objetivo comprender y controlar las propiedades extrañas y a veces espeluznantes de los estados cuánticos (es decir, estados entrelazados) que permiten tareas de procesamiento de información que son imposibles en el mundo no cuántico, como la teletransportación, computación cuántica, y comunicación absolutamente segura.

La unidad más básica de entrelazamiento se conoce como estado de campana. Puedes pensar en ella como la molécula más pequeña posible que consta de dos átomos entrelazados (qubits, realmente) cuyo entrelazamiento es absoluto, lo que implica, si pudieras echar un vistazo a uno de ellos, sabrías sin lugar a dudas que el otro sería su gemelo, con las mismas características. Como dos personas lanzando una moneda al aire; si a una persona le sale cruz, que razonablemente es una probabilidad del 50/50, el otro estaría garantizado para obtener cruz (o ambos obtienen cara, la misma cosa), una consecuencia de un enredo absoluto o un estado de campana. Adicionalmente, nadie más en el universo puede conocer el resultado exacto del lanzamiento de la moneda, y esta es la razón principal por la que la comunicación segura basada en el entrelazamiento cuántico es posible y deseable.

"El entrelazamiento cuántico es una especie de supercorrelación que comparten dos partes distantes, "Wilde explicó." Si el mundo fuera descrito sólo por la física clásica, entonces no sería posible tener las fuertes correlaciones disponibles con el entrelazamiento cuántico. Sin embargo, nuestro mundo es fundamentalmente mecánico cuántico, y el enredo es una característica esencial de ella ".

Cuando el entrelazamiento cuántico se descubrió por primera vez en la década de 1930, se pensó que era una molestia porque era difícil de entender, y no está claro cuáles serían sus beneficios. Pero con el auge de la ciencia de la información cuántica en la década de 1990, se entendía en un sentido teórico como la clave de las notables tecnologías cuánticas. Ejemplos recientes de tales tecnologías incluyen el experimento chino de teletransportación de tierra a satélite en 2017, así como el logro de supremacía computacional cuántica de Google el año pasado.

En LSU, Físicos cuánticos como Omar Magaña-Loaiza y Thomas Corbitt realizan habitualmente experimentos que podrían beneficiarse de la nueva y más precisa medida de Wilde y Wang. En sus respectivos laboratorios, Magaña-Loaiza generó recientemente estados entrelazados mediante mediciones condicionales, lo que constituye un paso importante en el desarrollo de sistemas tipo láser entrelazados, mientras que Corbitt realizó un estudio de entrelazamiento optomecánico, que tiene el potencial de ser una fuente confiable de entrelazamiento multifotónico en longitudes de onda cortas. La nueva medida de enredo de Wilde y Wang, llamado entrelazamiento κ o negatividad máxima logarítmica, se puede utilizar para evaluar y cuantificar el entrelazamiento producido en una amplia gama de experimentos de física cuántica.

Las unidades de entrelazamiento básicas o estados de Bell también se conocen como e-bits. El entrelazamiento se puede ver de dos maneras diferentes:cuántos e-bits se necesitarían para preparar un estado cuántico, o cuántos e-bits se pueden extraer o "destilar" de un estado complejo enredado. El primero se conoce como costo de entrelazamiento y es el problema que consideraron Wilde y Wang.

"Los E-bits son un recurso valioso y desea utilizar la menor cantidad posible de ellos, "Wilde dijo." En física, a menudo desea ver tanto el proceso hacia adelante como el proceso hacia atrás. ¿Es reversible? Y si lo es ¿Pierdo algo en el camino? Y la respuesta es sí ".

Wilde admite que el problema que él y Wang han resuelto es algo esotérico:un truco matemático. Sin embargo, permitirá a los científicos de la información cuántica calcular de manera eficiente los costos de entrelazamiento dadas ciertas limitaciones.

"No todas las medidas de entrelazamiento se pueden calcular de manera eficiente y tienen un significado como el costo de entrelazamiento. Esa es una distinción clave entre todo el trabajo anterior y el nuestro, "Añadió Wilde.

Si bien la falta de este tipo de medida ha sido un talón de Aquiles en la ciencia de la información cuántica durante más de 20 años, Fue, irónicamente, que Wilde se "enredara" negativamente al máximo durante un juego de baloncesto en 2018 lo que lo llevó a él y a Wang a resolver el problema.

"Me rompí el talón de Aquiles mientras buscaba el punto ganador del juego, luego se sometió a una cirugía para repararlo, y no pude levantarme de la cama durante un mes y medio, Wilde recuerda. Escribí un artículo de investigación sobre el costo del entrelazamiento, y cuando Xin Wang se enteró, me preguntó si estaría interesado en desarrollar más este problema. Luego comenzamos a trabajar juntos, de ida y vuelta, y ese se convirtió en el artículo que ahora hemos publicado en Cartas de revisión física . Nos hicimos buenos amigos y colaboradores después de eso; son notables las sorpresas que pueden ocurrir en la vida ".