Imagine que dos personas en lados opuestos del mundo quieren compartir información confidencial con total privacidad. Una opción prometedora es usar enredo cuántico, una propiedad extraña de la física en la que dos partículas se interconectan tan que actúan como un sistema único, incluso cuando se separan por vastas distancias. Los cambios a uno afectan al instante al otro, sin importar cuán lejos estén.
Entanglement es la columna vertebral de la criptografía cuántica, una tecnología que aprovecha las correlaciones misteriosas entre partículas, como fotones y electrones, para compartir información de formas que ningún sistema clásico puede. Los mensajes resultantes son teóricamente a salvo de la espía: cualquier intento de interceptar un mensaje perturba su estado cuántico, inclinando instantáneamente tanto el remitente como el receptor.
Sin embargo, hay una trampa: enredar dos partículas, primero debe reunirlas en la misma ubicación física para que puedan interactuar localmente, lo que hace que el proceso sea costoso y logísticamente difícil. Es como si tuviera que reunirse en persona para intercambiar dinero, en lugar de enviarlo a través del banco.
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Pedir prestado del depósito de Entanglement
Pero, ¿qué pasaría si los nuevos usuarios de criptografía cuántica no necesitaran generar sus propios pares de partículas enredadas? ¿Qué pasaría si cada parte pudiera simplemente pedir prestado enredo de un “embalse” local y ahorrarse la molestia?
En un artículo reciente en la revista Physical Review A, un equipo internacional de investigadores informó que este tipo de solución es realmente posible.
“Enredos se puede transferir desde el embalse, como de un banco a los clientes”, dice el coautor Chirag Srivastava, un postdoc de la Universidad de Gdańsk en Polonia. “No necesitan unirse”.
Al formular experimentos de pensamiento cuántico, los físicos a menudo se refieren a caracteres ficticios llamados Alice y Bob. En este estudio, para explicar su método novedoso, los autores presentan dos nuevos personajes: Charu y Debu.
Enredo máximo
Alice y Bob comparten un estado enredado y, por lo tanto, pueden comunicarse de forma segura. Charu y Debu, otras dos partes distantes, quieren su propio enredo compartido. Pero en lugar de construir uno desde cero, Charu interactúa localmente con Alice, mientras que Debu interactúa localmente con Bob. A través de operaciones cuánticas conocidas como “unitarias”, esencialmente manipulaciones cuidadosas de los estados de las partículas, una porción de Alice y el enredo de Bob se transfiere a Charu y Debu.
En principio, los investigadores muestran que este proceso se puede repetir indefinidamente, con cada nuevo par Charu-debu que recibe una porción de conexión cuántica. Pero la fiesta no puede continuar para siempre. Entanglement es un recurso finito: cuanto más personas lo compartan, más pequeña se vuelve cada porción. Incluso el banco más grande no puede prestar infinitas sumas de dinero.
Dicho esto, incluso cantidades modestas de enredos pueden permitir ciertas tareas. En la teletransportación cuántica, por ejemplo, usted “teletransporta” un estado cuántico de una partícula enredada a la otra; Mientras no necesite fidelidad perfecta, el enredo parcial hará el truco. Y dado un depósito lo suficientemente grande, podría pedir prestado más para tareas más grandes que requieren un enredo máximo.
Resolviendo el rompecabezas de comunicación cuántica
Los investigadores imaginan un futuro en el que algunos depósitos de enredos sirven como centros en todo el mundo, lo que permite a innumerables usuarios pedir prestado enredo sin generarlo ellos mismos. Eso podría ahorrar muchos recursos y ayudar a ampliar una red internacional de comunicación cuántica segura.
Aún así, quedan otros desafíos. Por un lado, mantener los estados enredados después de haber sido establecidos es notoriamente difícil. A medida que las partículas enredadas interactúan con sus entornos separados, tienden a “decohere”, perdiendo gradualmente su frágil conexión cuántica entre sí.
Las partículas enredadas son especialmente propensas a la decoherencia durante el transporte, y este estudio elimina la necesidad de moverlas largas distancias. De acuerdo, también es difícil preservar el enredo incluso en un entorno de laboratorio controlado. Srivastava dice que este problema aún debe abordarse. Pero él y sus colegas han resuelto una gran pieza del rompecabezas de comunicación cuántica: cómo compartir eficientemente enredos en todo el mundo.
“La parte de transferencia”, dice Srivastava, “creemos que eso es factible”.
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