La dirección cuántica, un fenómeno extraño y no local similar al entrelazamiento cuántico, no puede replicarse perfectamente mediante ninguna operación conjunta entre el sistema que se dirige y un sistema externo. Este nuevo teorema de “no clonación” es el resultado del trabajo de investigadores en China que estudiaron la situación que surge cuando una de las dos partes que comparten un estado cuántico no confía en la fuente de partículas cuánticas que se utilizan para crear ese estado. Además de ser importante para la física fundamental, el hallazgo podría tener implicaciones para la criptografía y la computación cuánticas.
Las computadoras convencionales almacenan información como "bits" que tienen un valor de 1 o 0. Las computadoras cuánticas, por el contrario, almacenan información en sistemas cuánticos de dos niveles, como los estados de polarización horizontal y vertical de los fotones o los estados de "giro hacia arriba" y " estados de “giro hacia abajo” de los electrones. Los estados de estos bits cuánticos, o qubits, no se limitan a 0 y 1; también pueden existir en una combinación intermedia conocida como superposición. Sin embargo, nunca se puede conocer completamente el estado completo de un sistema cuántico, lo que significa que está prohibida la duplicación perfecta de qubits. Este es el llamado teorema de la “no clonación” y constituye la base de la criptografía cuántica.
Otro principio importante es que dos o más qubits pueden entrelazarse, lo que significa que tienen una relación mucho más estrecha de lo que permite la física clásica. Cuando dos qubits están entrelazados, medir el estado de uno de ellos automáticamente indica el estado del segundo, sin importar qué tan lejos estén. Por ejemplo, si conoces el giro de una partícula, puedes determinar el de la otra.
Albert Einstein encontró inquietante este aspecto del entrelazamiento, ya que implicaba que las partículas entrelazadas podrían afectar el estado de cada una de una manera no local, algo que él llamó “acción espeluznante a distancia”. En un artículo publicado en 1935, él y sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen argumentaron en contra de esta forma de no localidad, y se conoció como la paradoja EPR por sus iniciales. Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que su argumento es incorrecto: la 2022 Premio Nobel de Física Se dirigió a un trío de experimentadores que, basándose en el trabajo del difunto teórico John Stewart Bell, demostraron que el entrelazamiento (y por tanto la no localidad) es de hecho parte de nuestro mundo físico.
El “principio rector de no clonación”
Sin embargo, el entrelazamiento cuántico no es la única forma de no localidad en la teoría cuántica. Otro tipo, conocido como dirección cuántica, fue introducido por primera vez por Erwin Schrödinger como una generalización de la paradoja EPR. En el entrelazamiento cuántico, las dos partes involucradas en una transacción cuántica (conocidas tradicionalmente como Alice y Bob), confían en la fuente de partículas cuánticas utilizadas para generar sus respectivos estados. La dirección cuántica introduce una asimetría en esta configuración: ahora sólo una fuente (la de Alice, por ejemplo) es confiable. Esto permite a Alice "dirigir" el estado de las partículas observadas por Bob, lo que significa que las mediciones que realiza en su mitad del par de partículas entrelazadas afectan el estado de la mitad de Bob de una manera que no puede explicarse clásicamente.
El "principio rector de no clonación" demostrado en el nuevo trabajo contribuye a nuestra comprensión de esta forma de no localidad. "El teorema original de no clonación establece que ninguna operación física puede copiar perfectamente un estado cuántico desconocido", explica Fu Lin Zhang, quien dirigió un equipo de investigadores en el Departamento de Física de la Universidad de Tianjin y del Instituto Chern de Matemáticas de la Universidad de Nankai. "Nuestro hallazgo indica que la dirección cuántica en un estado conocido no se puede copiar perfectamente si el estado es 'demasiado cuántico'".
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Los investigadores también descubrieron que un tipo de correlación cuántica estrechamente relacionado, llamado dirección EPR, puede clonarse parcialmente. La dirección EPR existe en estados que pueden usarse para demostrar de manera convincente la dirección cuántica incluso si el observador de los estados dirigidos no confía en el medidor. Por lo tanto, puede considerarse una propiedad cuántica "más fuerte" que la dirección cuántica, explica Zhang. "En tareas de información cuántica entre Alice y Bob atacadas por un tercero, 'Charlie', usando una máquina de clonación, nuestro resultado establece umbrales en la dirección EPR entre Alice y Bob para excluir la dirección EPR entre Alice y Charlie", dice. Mundo de la física.
"La no clonación de la dirección cuántica es una consecuencia de la superposición cuántica, al igual que los teoremas originales de no clonación y no ir", añade, "y nuestra prueba se basa en el llamado teorema de no radiodifusión, que es un sistema extendido de no clonación de estados 'mixtos' (en sistemas compuestos)”.
Los investigadores ahora están examinando cómo los grados de "cuantidad" afectan a otros teoremas prohibidos. "Estamos estudiando protocolos para compartir información no localizada y otros tipos de información cuántica entre múltiples observadores en el marco de la clonación cuántica", revela Zhang. "El tema de compartir información y no localidad es fundamental en la ciencia de la información cuántica".
El trabajo se detalla en Letras de física chinas.
