Descubren un nuevo tipo de estados cuánticos

Las partículas que forman estados cuánticos pueden estar correlacionadas de tres maneras principales, que no son incompatibles entre sí: entrelazadas, dirigidas y violando el realismo local. Las tres son propiedades parecidas, pero matemáticamente no tienen el mismo significado.

El entrelazamiento, la correlación más conocida, consiste en que dos o más partículas se influyen mutuamente a una velocidad mayor que la luz; la correlación dirigida significa que (al menos) una de esas partículas controla a la otra -es decir, que medir una hace que la otra colapse-; por último, que el estado cuántico viole el «realismo local» consiste en que dichas partículas incumplan o bien el localismo, es decir, la propiedad típica de los objetos macroscópicos de estar afectados solo por los objetos de los alrededores, o bien el realismo, es decir, que existan aunque no sean observadas.

Estos tres tipos de correlaciones siguen un orden jerárquico, es decir, que los estados cuánticos que violan el realismo local, poseen a su vez la propiedad de que las partículas que lo forman se «dirigen» unas a otras. A su vez, los que cumplen esta propiedad, también están entrelazados. Sin embargo, determinar qué tipo de estados cumplen una o varias de estas propiedades no es sencillo.

Hasta ahora, se había demostrado que todos los estados cuánticos puros entrelazados violan el realismo local (teorema de Gisin). Sin embargo, la gran mayoría de los estados cuánticos en la naturaleza no son puros, sino mixtos o impuros (discordantes).

Ahora, científicos de China y Singapur han demostrado que en todos los estados mixtos multi-qubit (multi-partícula) en los que al menos dos observadores (elementos o partículas del sistema) pueden dirigir los qubits de los otros observadores haciéndolos colapsar a estados puros sencillos -haciendo mediciones en su propio qubit-, la no existencia del realismo local es equivalente al entrelazamiento cuántico (es decir, que si las partículas están entrelazadas, y además hay dos de ellas que dirigen a las demás, el estado en conjunto viola el realismo local).

Aplicaciones

Esta nueva categoría de estados, explican los científicos en un artículo que se publicará en Scientific Reports, del grupo Nature, permitirá reducir el número de partículas entrelazadas necesarias para realizar una tarea.

Un ejemplo es el protocolo del «tercer hombre» en criptografía, también llamado «intercambio secreto», en el que un tercero puede controlar si dos personas pueden comunicarse en secreto entre ellas. Las versiones anteriores de este protocolo requieren tres qubits entrelazados, pero debido a que la seguridad de los estados entrelazados de tres partículas se encuentra todavía por debajo del 90%, es muy propenso a errores.

Usando los nuevos estados descritos en el artículo, explica Phys.org, el protocolo puede ser implementado con sólo dos qubits entrelazados, que tiene una fidelidad de más del 99% y por lo tanto una tasa de error mucho menor.

Otra aplicación potencial es la autorización por certificado cuántica, en la que una persona que envía un mensaje confidencial a través de Internet a otra persona puede pedir a un tercero que verifique la identidad de esa persona. Una manera de hacerlo es comprobando que tanto el emisor como el receptor pueden dirigir los qubits del otro a estados puros. Si pueden hacer eso, los estados entrelazados deben violar el realismo local, lo que garantiza un protocolo seguro.

Los físicos planean utilizar esta nueva familia de estados cuánticos mixtos para desarrollar experimentalmente estos protocolos en un futuro próximo.

Referencia bibliográfica:

Jing-Ling Chen, Hong-Yi Su, Zhen-Peng Xu, Yu-Chun Wu, Chunfeng Wu, Xiang-Jun Ye, Marek Zukowski, L. C. Kwek: Beyond Gisin’s Theorem and its Applications: Violation of Local Realism by Two-Party Einstein-Podolsky-Rosen Steering. arXiv:1404.2675v4.