En 1995, el físico Sandu Popescu planteó una posibilidad desconcertante: algunos sistemas cuánticos podrían esconder capacidades asombrosas bajo una apariencia de inutilidad. Aquel trabajo pasó algo desapercibido durante décadas, pero acaba de cobrar vida. Casi treinta años después, un grupo de científicos ha conseguido, por primera vez, destilar propiedades cuánticas útiles de un tipo de sistema que hasta ahora parecía inerte. Lo han hecho utilizando una técnica sorprendentemente sencilla, y los resultados prometen transformar el diseño de tecnologías cuánticas más robustas y accesibles.
El hallazgo, recogido en un artículo publicado en Physical Review Letters, demuestra que ciertas propiedades cuánticas “escondidas” pueden recuperarse de estados de entrelazamiento de mayor dimensión —más complejos que los conocidos pares de cúbits— utilizando un único paso de filtrado local. La novedad no es solo teórica: se ha verificado experimentalmente, lo que marca un avance crucial hacia sistemas cuánticos más resistentes al ruido y más eficaces en tareas como la comunicación segura o la computación avanzada.
El reto de aprovechar lo cuántico
La base de muchas tecnologías cuánticas es el entrelazamiento, una conexión invisible entre partículas que permite que el estado de una influya instantáneamente en la otra, sin importar la distancia. Es un fenómeno tan real como desconcertante. El problema es que esta conexión es extremadamente frágil. Cualquier interacción con el entorno puede “estropear” el entrelazamiento, lo que impide aprovecharlo en aplicaciones prácticas.
Para evitarlo, los físicos desarrollaron técnicas de “destilación cuántica”. Es decir, métodos que extraen —o recuperan— una forma más pura y útil de entrelazamiento a partir de múltiples copias imperfectas. Sin embargo, estas técnicas suelen ser complejas y difíciles de aplicar en sistemas fotónicos, que son precisamente los más prometedores para implementar tecnologías cuánticas.
El nuevo estudio propone algo diferente: recuperar parte de ese entrelazamiento valioso usando solo una copia del sistema y un filtrado simple, sin necesidad de repetir el experimento ni acumular copias.
Werner, un estado cuántico con fama de inútil
En el experimento, los investigadores trabajaron con lo que se conoce como estados de Werner de mayor dimensión, una familia de sistemas cuánticos que, por su naturaleza mixta y compleja, no sirven directamente para teleportación cuántica, codificación densa ni violan las desigualdades de Bell, que son clave para demostrar comportamientos puramente cuánticos. En apariencia, no ofrecen ventajas frente a recursos clásicos.
Pero aquí está la clave: aunque estas propiedades no se manifiestan de forma directa, podrían estar “escondidas” en la estructura del estado. Para revelarlas, los autores utilizaron una técnica llamada single-copy local filtering (ScLF), o filtrado local de copia única. En palabras del artículo original: “demostramos experimentalmente cómo puede usarse un filtrado local de copia única para recuperar la cuantiosidad oculta en estos estados de mayor dimensión”.
El proceso consiste en aplicar un filtrado que selecciona parte del estado cuántico original y descarta otra, lo que permite que algunas propiedades cuánticas salgan a la luz. La implementación, curiosamente, es sencilla: en el experimento bastaba con bloquear una de las tres trayectorias posibles de un fotón.
¿Qué son las desigualdades de Bell?
Las desigualdades de Bell son una herramienta clave para saber si un sistema se comporta realmente de forma cuántica o si, por el contrario, podría explicarse con leyes clásicas. Las formuló en los años 60 el físico John Bell para poner a prueba una idea muy concreta: si el entrelazamiento cuántico implica una conexión profunda entre partículas, ¿podría haber una explicación “local” y clásica para esos resultados?
Imagina que tienes dos partículas que están entrelazadas y se separan. Si mides una, instantáneamente sabes el resultado de la otra, sin importar la distancia. Según la física cuántica, esto no se debe a una señal oculta que viaja entre ellas, sino a una correlación real e instantánea que desafía la lógica clásica. Las desigualdades de Bell permiten verificar experimentalmente si esas correlaciones pueden explicarse con variables ocultas (como proponían algunos físicos) o si realmente son incompatibles con cualquier teoría clásica.
Cuando un experimento viola una desigualdad de Bell, significa que no hay explicación clásica posible: el sistema es cuántico, y el entrelazamiento está actuando de verdad. Por eso, estas desigualdades son uno de los test más importantes para confirmar que estamos observando fenómenos puramente cuánticos y no un simple efecto estadístico o técnico.
Una demostración experimental con cútrits
Los investigadores utilizaron cútrits, unidades de información cuántica que, a diferencia de los cúbits, pueden representar tres estados en vez de dos. Esto hace que los sistemas sean más complejos, pero también potencialmente más potentes.
Primero, prepararon estados de Werner tridimensionales usando fotones entrelazados en diferentes trayectorias ópticas. Después, aplicaron la operación ScLF mediante un sencillo filtro que elimina una de las trayectorias. El resultado fue un nuevo estado cuántico en el que sí se manifestaban características útiles: violación de la desigualdad de Bell, posibilidad de usarlo en teleportación cuántica y una mayor “dirigibilidad” cuántica, es decir, la capacidad de un observador para influir en las mediciones del otro.
Más allá del ruido: utilidad práctica y escalabilidad
Uno de los puntos fuertes de este enfoque es que funciona incluso cuando el sistema está sometido a ruido, es decir, cuando hay imperfecciones inevitables que degradan el entrelazamiento. La destilación convencional solo es eficaz si el estado inicial ya tiene una fracción elevada de entrelazamiento. Aquí, sin embargo, se ha conseguido activar propiedades cuánticas en estados con entrelazamiento débil o aparentemente inútil.
Además, el equipo demostró que la técnica es escalable: en teoría, puede aplicarse a sistemas de mayor dimensión sin un aumento exponencial de la complejidad experimental. Esto es importante, porque una de las grandes barreras para la tecnología cuántica es precisamente su fragilidad y la dificultad de manejar sistemas complejos sin errores.
El propio artículo concluye con una afirmación clara: “nuestra demostración experimental también se aplica a todos los estados cuánticos que se pueden transformar mediante operaciones locales en un estado de Werner bidistilable”.
Implicaciones futuras: del laboratorio al mundo real
Este avance puede parecer técnico, pero sus implicaciones van más allá del laboratorio. En primer lugar, abre la puerta a dispositivos cuánticos más simples y resistentes, que no necesiten operaciones colectivas complicadas para recuperar funcionalidad. En segundo lugar, podría permitir recuperar el valor de sistemas cuánticos “dañados” por el entorno, algo esencial para comunicaciones seguras o redes cuánticas globales.
También hay consecuencias teóricas. El trabajo pone en entredicho la idea de que solo los estados cuánticos muy “puros” son útiles. Al contrario, demuestra que incluso estados mixtos, complejos y aparentemente inútiles pueden revelar comportamientos cuánticos si se los procesa con las herramientas adecuadas.
Además, se plantea una cuestión abierta: ¿existen filtrados locales más eficaces que el usado aquí? De momento, el equipo cree que no, pero deja la puerta abierta a exploraciones futuras. La combinación de teoría rigurosa, diseño experimental ingenioso y resultados medibles marca un ejemplo del tipo de investigación que realmente empuja hacia adelante el campo de la información cuántica.
Referencias
- Xiao-Xu Fang, Gelo Noel M. Tabia, Kai-Siang Chen, Yeong-Cherng Liang y He Lu. Experimental Single-Copy Distillation of Quantumness from Higher-Dimensional Entanglement. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.150201.
Cortesía de Muy Interesante
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