Entrelazamiento cuántico y topología, inextricablemente vinculados

Por primera vez se ha demostrado la notable capacidad de perturbar pares de partículas entrelazadas cuánticas espacialmente separadas pero interconectadas sin alterar sus propiedades compartidas.

El logro corresponde a investigadores del Laboratorio de Luz Estructurada (Escuela de Física) de la Universidad de Witwatersrand en Sudáfrica, dirigido por el profesor Andrew Forbes, en colaboración con el teórico de cuerdas Robert de Mello Koch de la Universidad de Huzhou en China (anteriormente de la Universidad Wits).

"Logramos este hito experimental entrelazando dos fotones idénticos y personalizando su función de onda compartida de tal manera que su topología o estructura se vuelve evidente sólo cuando los fotones se tratan como una entidad unificada", explica en un comunicado el autor principal, Pedro Ornelas, estudiante de máster en el laboratorio de luz estructurada.

Esta conexión entre los fotones se estableció mediante entrelazamiento cuántico, a menudo denominado "acción fantasmagórica a distancia", lo que permite que las partículas influyan entre sí en los resultados de las mediciones incluso cuando están separadas por distancias significativas. La investigación se publica en Nature Photonics el 8 de enero de 2024.

El papel de la topología y su capacidad para preservar propiedades, en este trabajo, se puede comparar con cómo se puede transformar una taza de café en forma de donut; A pesar de los cambios de apariencia y forma durante la transformación, un agujero singular (una característica topológica) permanece constante e inalterado. De esta forma, los dos objetos son topológicamente equivalentes. "El entrelazamiento entre nuestros fotones es maleable, como la arcilla en las manos de un alfarero, pero durante el proceso de moldeo algunas características se conservan", explica Forbes.

La naturaleza de la topología investigada aquí, denominada topología Skyrmion, fue explorada inicialmente por Tony Skyrme en la década de 1980 como configuraciones de campo que mostraban características similares a las de partículas. En este contexto, la topología se refiere a una propiedad global de los campos, similar a un trozo de tela (la función de onda) cuya textura (la topología) permanece sin cambios independientemente de la dirección en la que se empuja.

Desde entonces, estos conceptos se han materializado en materiales magnéticos modernos, cristales líquidos e incluso como análogos ópticos utilizando rayos láser clásicos. En el ámbito de la física de la materia condensada, los skyrmiones son muy apreciados por su estabilidad y resistencia al ruido, lo que ha dado lugar a avances innovadores en dispositivos de almacenamiento de datos de alta densidad. "Aspiramos a ver un impacto transformador similar con nuestros skyrmions cuánticos entrelazados", dice Forbes.

Investigaciones anteriores describieron estos skyrmiones localizados en una sola ubicación. "Nuestro trabajo presenta un cambio de paradigma: la topología que tradicionalmente se pensaba que existía en una configuración única y local ahora es no local o compartida entre entidades espacialmente separadas", dice Ornelas.

Ampliando este concepto, los investigadores utilizan la topología como marco para clasificar o distinguir estados entrelazados. Prevén que "esta nueva perspectiva puede servir como un sistema de etiquetado para estados entrelazados, similar a un alfabeto", dice el Dr. Isaac Nape, co-investigador.

"De manera similar a como las esferas, los donuts y las esposas se distinguen por el número de agujeros que contienen, nuestros skyrmiones cuánticos se pueden diferenciar por sus aspectos topológicos de la misma manera", dice Nape. El equipo espera que esto pueda convertirse en una poderosa herramienta que allane el camino para nuevos protocolos de comunicación cuántica que utilicen la topología como un alfabeto para el procesamiento de información cuántica a través de canales basados en entrelazamiento.

Los hallazgos informados en el artículo son cruciales porque los investigadores han luchado durante décadas por desarrollar técnicas para preservar los estados entrelazados. El hecho de que la topología permanezca intacta incluso cuando el entrelazamiento decae sugiere un mecanismo de codificación potencialmente nuevo que utiliza el entrelazamiento, incluso en escenarios con un entrelazamiento mínimo donde los protocolos de codificación tradicionales fallarían.

"Centraremos nuestros esfuerzos de investigación en definir estos nuevos protocolos y ampliar el panorama de estados cuánticos topológicos no locales", dice Forbes.