La física cuántica pasa pantalla con un logro que desconcertaría a Einstein: tres fotones entrelazados en un solo experimento

Cuando Albert Einstein se topó con los misterios de la mecánica cuántica, no ocultó su incomodidad. Se refería al fenómeno del entrelazamiento como una “acción fantasmal a distancia” y dudaba de que pudiera ser una descripción completa de la realidad. Hoy, ese mismo concepto que incomodaba al físico más célebre del siglo XX ha vuelto a situarse en el centro de un logro experimental que empuja los límites de lo que podemos hacer con la luz y la información: por primera vez, un equipo ha logrado identificar, en un solo paso, un tipo especial de entrelazamiento entre tres fotones.

Este hito no solo tiene valor teórico, sino que sienta las bases para tecnologías cuánticas más robustas, como la teleportación de información o la computación basada en mediciones. El avance, firmado por un equipo de las universidades de Kyoto y Hiroshima, y publicado en Science Advances, presenta una medición cuántica capaz de detectar estados W, un tipo complejo de entrelazamiento de múltiples partículas. Y lo hace con una precisión que supera el umbral necesario para confirmar que la medición es, efectivamente, de naturaleza entrelazada.

¿Qué es un estado W y por qué importa?

En mecánica cuántica, el entrelazamiento es una correlación profunda entre partículas, que las conecta de forma que sus propiedades individuales dejan de tener sentido por separado. Cuando esto ocurre con más de dos partículas, surgen diferentes formas posibles de entrelazamiento. Una de las más conocidas es el estado GHZ, que ya ha sido explorado experimentalmente. Otra, más resistente a la pérdida de información y más difícil de detectar, es el estado W.

El estado W de tres cúbits —como los tres fotones usados en este estudio— se puede visualizar como un sistema donde exactamente una de las partículas tiene una propiedad distinta (por ejemplo, una polarización vertical), mientras que las otras dos comparten otra propiedad (como polarización horizontal). Aunque simple en apariencia, este tipo de estado cuántico tiene una estructura matemática que lo vuelve especialmente interesante: presenta una simetría de desplazamiento cíclico, es decir, que intercambiar el orden de los fotones no cambia la naturaleza del estado.

Este tipo de estado es relevante para aplicaciones avanzadas como la teleportación cuántica entre múltiples usuarios y para ciertos esquemas de computación cuántica distribuida. Sin embargo, hasta ahora no se había logrado una medición directa que lo identificara sin ambigüedades.

Estado W: un entrelazamiento cuántico con firma española

El estado W, protagonista del reciente avance experimental liderado desde Japón, tiene también un sello ibérico que no todos conocen. Esta forma especial de entrelazamiento cuántico fue caracterizada por primera vez en el año 2000 por Ignacio Cirac, físico teórico español, junto a Wolfgang Dür y Guifré Vidal. El trío publicó sus resultados en la revista Physical Review A, en un artículo en el que demostraban que “tres cúbits pueden estar entrelazados de dos formas no equivalentes”. Una de esas formas es el estado GHZ, ya conocido entonces; la otra, completamente nueva, fue bautizada como estado W.

Este estado representa una superposición cuántica simétrica, en la que solo uno de los cúbits se encuentra en estado 1 y los otros en 0. Su expresión más simple es:

Lo que hace especialmente robusto al estado W es que, a diferencia del estado GHZ, no se destruye por completo si se pierde uno de los cúbits. En su lugar, los cúbits restantes permanecen entrelazados. Esta resistencia lo convierte en un candidato ideal para aplicaciones prácticas, como la computación distribuida o la comunicación cuántica segura, donde las pérdidas de partículas son inevitables.

El papel de Cirac en este descubrimiento no fue casual. Ignacio Cirac es una de las figuras más influyentes de la física cuántica actual, con una trayectoria que incluye el desarrollo de propuestas clave para la computación cuántica con átomos atrapados y la teoría de redes tensoriales. En 2006 fue galardonado con la Medalla Dirac, y en 2013 recibió el Premio Príncipe de Asturias por su contribución al desarrollo de las tecnologías cuánticas. Su trabajo sobre el estado W marcó un hito en la clasificación de los tipos de entrelazamiento en sistemas de múltiples partículas, y sigue teniendo impacto más de dos décadas después.

La generalización del estado W a más de tres cúbits ha sido también objeto de investigación. En su forma extendida, un estado W de n cúbits representa una superposición en la que un solo cúbit está excitado (estado 1) y todos los demás están en estado 0, con todos los términos ponderados por igual. Esta propiedad se mantiene incluso cuando el sistema pierde una partícula, lo que refuerza aún más su utilidad práctica frente a otras configuraciones más frágiles.

Este pasado teórico, con participación española, conecta directamente con el presente experimental descrito en el trabajo del equipo japonés. La medición directa del estado W realizada en el laboratorio no solo confirma su existencia con una fidelidad notable, sino que también valida las ideas que Cirac y sus colegas plantearon hace más de veinte años. La física cuántica avanza, pero lo hace sobre los hombros de quienes supieron imaginar lo invisible mucho antes de poder medirlo.

El reto de medir lo que no se puede ver

Detectar un estado entrelazado W no es tarea sencilla. Las técnicas habituales, como la tomografía cuántica, requieren una cantidad de mediciones que crece exponencialmente con el número de partículas. Es decir, si se quiere estar seguro del tipo de entrelazamiento presente, hay que realizar miles o millones de combinaciones de observaciones para reconstruir el estado completo.

Frente a esto, el nuevo método propone una medición entrelazada, capaz de identificar directamente el estado W sin necesidad de descomponerlo en sus partes. Lo interesante es que no se trata de una teoría, sino de una implementación física basada en circuitos ópticos estables y precisos. Según explica el artículo, “la medición entrelazada para tres cúbits fotónicos fue verificada utilizando un interferómetro ultrastable desplazado tipo Sagnac”.

El dispositivo clave del experimento es un circuito óptico que realiza una transformada de Fourier discreta (DFT) sobre los modos de luz. Gracias a este diseño, se puede aprovechar la simetría cíclica de los estados W para que cada configuración del sistema conduzca a un resultado medible único. En palabras del artículo: “la circuitería óptica puede distinguir entre 2N resultados ortogonales del estado W con una eficiencia del 100%”.

Un experimento sin precedentes

El montaje experimental, descrito con detalle en el artículo, incluye una fuente de fotones individuales generados por conversión paramétrica espontánea, divisores de haz, retardadores de fase y detectores de fotones que pueden contar con precisión cuántas partículas llegan y en qué estado de polarización.

Para validar el sistema, los investigadores utilizaron estados de entrada separados, es decir, que no estaban entrelazados al principio. Así, pudieron demostrar que el propio dispositivo es el que realiza la proyección entrelazada sobre el estado W. Este enfoque permite evitar errores asociados a fuentes imperfectas de entrelazamiento, y aun así verificar que la medición es realmente no local.

El resultado más destacado es la fidelidad media de discriminación del estado (MDF), que fue de 0,871 ± 0,039. Este número indica la probabilidad de que el sistema identifique correctamente un estado W dado. Es un valor muy por encima del límite de 2/3, que es el máximo que se puede obtener si la medición no es verdaderamente entrelazada.

Además, la fidelidad se mantuvo estable durante varias horas de medición continua, lo que indica que el sistema es robusto y viable para aplicaciones prácticas.

Implicaciones para la computación y las redes cuánticas

Una medición entrelazada de este tipo amplía enormemente las posibilidades de la computación y la comunicación cuánticas. En el campo de la computación basada en mediciones, por ejemplo, el procesamiento de la información se hace a través de la medición de estados entrelazados, no con puertas lógicas convencionales. Contar con un detector capaz de reconocer estados W de tres partículas —y, en el futuro, de más— puede simplificar muchos protocolos.

En el ámbito de las redes cuánticas, la capacidad de hacer “entanglement swapping” —es decir, transferir el entrelazamiento de un par de partículas a otro par remoto— depende crucialmente de contar con este tipo de mediciones complejas. El experimento, según señalan sus autores, “abre la puerta al desarrollo de nuevos protocolos de red cuántica entre sistemas multipartitos”.

Otro uso potencial sería en esquemas de distribución cuántica de claves (QKD) que no dependan del dispositivo del usuario, aumentando la seguridad frente a interferencias o suplantaciones. De hecho, se menciona que este tipo de medición permitiría versiones multiusuario de QKD sin necesidad de confiar en los equipos de los participantes.

Por si fuera poco, los autores señalan que su método es escalable: se puede extender a más de tres partículas, lo cual es esencial para pensar en redes cuánticas con muchos nodos o en computadoras cuánticas de propósito general.

Cuáles son los siguientes pasos

Aunque el experimento fue exitoso, aún hay margen de mejora. Algunas discrepancias entre los resultados ideales y los observados se atribuyen a factores como emisiones simultáneas de múltiples pares de fotones, ruido en el disparo de los pulsos láser o pequeñas diferencias entre los fotones individuales. Todo ello puede influir en la precisión del resultado final.

El equipo ya trabaja en extender el método a sistemas con más fotones y en miniaturizar el sistema en circuitos fotónicos integrados, lo que facilitaría su aplicación práctica. De hecho, uno de los objetivos declarados es avanzar hacia la construcción de chips cuánticos que incluyan este tipo de mediciones como parte de su arquitectura básica.

Mientras tanto, este experimento marca un punto de inflexión en la física cuántica experimental. No solo porque permite verificar un estado hasta ahora fuera de alcance, sino porque demuestra que la tecnología necesaria para manipular la información cuántica con precisión y fiabilidad ya no es un sueño lejano.

Cortesía de Muy Interesante

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