Etiquetas

, ,

Artículo publicado por Edwin Cartlidge el 12 de febrero de 2016 en physicsworld.com

Durante años, los físicos han debatido acerca de cómo cuantificar el entrelazamiento de partículas idénticas. Ahora, dos teóricos en Italia han demostrado que esto puede hacerse usando el formalismo normalmente aplicado a partículas no idénticas, siempre que las partículas se consideren juntas como un todo indivisible. Dicen que su trabajo podría mejorar el procesamiento de información cuántica, donde el entrelazamiento de partículas idénticas es esencial.

El entrelazamiento es un proceso mecánico cuántico puro que permite que dos o más partículas tengan una relación mucho más estrecha de la permitida por la física clásica, de tal modo que al medir el estado cuántico de una de ella, instantáneamente se fijará el de la otra, sin importar lo alejadas que estén.

Entrelazamiento cuántico

Entrelazamiento cuántico Crédito: Shutterstock/concept w

Hasta el máximo

Por ejemplo, si se descubre que una partícula tiene un momento angular intrínseco (espín) que apunta hacia arriba, entonces la otra automáticamente tendrá el suyo apuntando hacia abajo, y viceversa. Las dos partículas se dicen que tienen un “entrelazamiento máximo” cuando, a lo largo de varias medidas, los estados de espín arriba/abajo aparecen a lo largo de cualquier eje y se observan con la misma frecuencia. Si cada combinación aparece más que otra, el entrelazamiento es menos de uno.

Para calcular la cantidad de entrelazamiento de un sistema cuántico concreto, los físicos calculan el análogo mecánico cuántico de la entropía clásica, conocida como entropía de Von Neumann. Hasta la fecha, sin embargo, este enfoque se veía limitado a lo que se conocen como partículas no idénticas, o distinguibles. Dadas dos partículas cualesquiera, se consideran no idénticas si pertenecen a tipos distintos, como un electrón y un protón, o si son del mismo tipo pero están lo bastante lejos en el espacio como para que sus funciones de onda cuántica no se solapen.

Por contra, los físicos no han logrado ponerse de acuerdo en una forma de cuantificar el entrelazamiento entre partículas idénticas. En este caso, las partículas están lo bastante cerca como para que se solapen sus funciones de onda, y es imposible decir si el resultado de dos medidas sucesivas se relacionan con una partícula específica o no. En otras palabras, las correlaciones cuánticas inherentes entre las dos partículas complican las cosas cuando se trata de establecer la cantidad de entrelazamiento entre ellas. De acuerdo con Rosario Lo Franco, de la Universidad de Palermo, los intentos por cuantificar el entrelazamiento entre partículas idénticas “sigue siendo tecnológicamente incómodo y poco intuitivo” y, comenta, no siempre genera el mismo resultado.

Dos que se hacen uno

En el último trabajo, Lo Franco y su colega de Palermo Giuseppe Compagno han demostrado que es posible usar el formalismo de Von Neumann incluso en el caso de partículas idénticas. Para hacer esto evitan, como explica Compagno, “asignar artificialmente etiquetas no físicas”, tales como “1” y “2” o “A” y “B”, a las partículas idénticas. En lugar de esto, consideran las dos partículas como una única entidad descrita por una función de onda expresada en términos de cantidades físicas de una única partícula.

Haciendo esto, los investigadores lograron cuantificar el efecto de tipo de partícula y separación de partícula en el entrelazamiento. Hallaron que las dos partículas con espín opuesto y funciones de onda parcialmente solapadas están más entrelazadas cuando están más cerca, y también encontraron que la cantidad de entrelazamiento depende de si las partículas son bosones (tienen un espín entero) o fermiones (tienen un espín semientero). Pero encontraron que las dos partículas con espines opuestos estaban completamente entrelazada cuando se sitúan en el mismo punto del espacio (dentro de los límites del principio de incertidumbre de Heisenberg), sin importar el tipo de partícula.

Entrelazamiento eficiente

Estas características, dicen los investigadores, permiten la creación de lo que llaman “puertas de entrelazamiento”, en las cuales las partículas con espines opuestos se entrelazan cada vez más conforme se acercan entre sí, y se entrelazan completamente cuando ocupan la misma posición. Es más, los investigadores señalan que tal dispositivo se demostró el año pasado por físicos de la Universidad de Colorado, en los Estados Unidos, que demostraron que dos átomos de rubidio colocados en estados opuestos de espín se entrelazaban completamente cuando se acercaban usando pinzas ópticas.

Lo Franco y Compagno también encontraron que partículas idénticas siempre estarán, al menos, tan entrelazadas como las no idénticas colocadas en el mismo estado cuántico. “Esto sugiere que las partículas idénticas pueden ser más eficientes que las distinguibles para las tareas de información cuántica basadas en el entrelazamiento”, comenta Lo Franco.

Nathan Killoran de la Universidad de Ulm, en Alemania, cree que la nueva investigación ayuda a apoyar la idea de que el entrelazamiento entre partículas idénticas no es un simple artefacto matemático, como defendían algunos físicos. También cree que podría ayudar a los científicos a “aprovechar las grandes capacidades de almacenamiento del entrelazamiento” contenidas dentro de las partículas idénticas para usarlas en aplicaciones como el teletransporte cuántico, la metrología cuántica, y la criptografía cuántica. “El entrelazamiento puede verse como un ‘combustible0 para muchas tecnologías de la información cuántica”, apunta.

La investigación se publica en la revista Nature Scientific Reports.

Anuncios