Teletransporte cuántico de dos propiedades de un fotón

Dibujo20150226 Scheme for quantum teleportation of the spin-orbit composite states of a single photon - nature com

El teletransporte cuántico es la única manera de copiar estados cuánticos sin violar el teorema de no clonación. La probabilidad de éxito en el protocolo de teletransporte de una sola propiedad cuántica es de 1/2, de dos es de 1/32 y de tres es de 1/4096. Un 3,1% de éxito es poco, pero suficiente para su demostración experimental. Se publica en Nature el teletransporte de forma simultánea de la polarización y del momento angular entre dos fotones.

Nos lo cuenta Wolfgang Tittel, “Quantum physics: Teleportation for two,” Nature 518: 491-492, 26 Feb 2015, doi: 10.1038/518491a; el artículo técnico es Xi-Lin Wang et al., “Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon,” Nature 518: 516-519, 26 Feb 2015, doi: 10.1038/nature14246.

Dibujo20150226 Scheme quantum teleportation of the spin-orbit states - nature com

El teorema de no clonación prohíbe la copia (perfecta) del estado (las propiedades) de un sistema cuántico (fotones, electrones, etc.). La única manera de evadirlo es usar el protocolo de teletransporte cuántico, propuesto en 1993 y demostrado en 1997 para la polarización de un fotón. La palabra teletransporte engaña al lego, que imagina lo que aparece en Star Trek. No se teletransportan objetos, se transfieren estados cuánticos. Además, la transferencia de estado no es instantánea. El teletransporte requiere realizar medidas cuánticas y transferir los resultados de dichas medidas mediante un canal de comunicación clásico (cuya velocidad de transferencia está limitada por la velocidad de la luz en el vacío).

Dibujo20150226 Scheme quantum teleportation of the spin-orbit states - nature com

El nuevo protocolo de teletransporte requiere tres objetos. El estado del fotón A será teletransportado al fotón C, que debe estar (hiper)entrelazado al fotón B (es decir, entrelazado en las dos propiedades que se teletransportarán). No sabemos el estado inicial de los fotones B y C, salvo que están (hiper)entrelazados (luego medir el estado de B en ambas propiedades permite conocer el estado de C en ellas sin necesidad de medirlo). El estado del fotón A viene dado por su polarización (P), la flecha en la figura, y su momento angular orbital (OAM), la elipse en la figura. Se realiza una medida conjunta del estado de polarización (CM-P) de los fotones A y B; en función del resultado de esta medida (que se transmite por un canal clásico) se realiza un ajuste del estado del fotón C que implementa el teletransporte (la transferencia) del estado P del fotón A al fotón C.

El proceso de medida podría haber destruido el fotón A. Se comprueba que no sea así realizando una medida no destructiva del número de fotones (trayectoria 1); este proceso requiere la presencia de un cuarto fotón no representado en la figura. Si el fotón A sigue ahí, se realiza una medida conjunta del estado de momento angular orbital (CM-OAM) de los fotones A y B; si la primera medida no ha desentrelazado el fotón B con el C en OAM (algo que ocurre con cierta probabilidad), en función del resultado de esta segunda medida (que se transmite por un canal clásico) se realiza un ajuste del estado del fotón C que implementa el teletransporte (la transferencia) del estado OAM del fotón A al fotón C. Si todos estos procesos ocurren con éxito, el fotón C acabará con un estado conjunto P y OAM idéntico al que tenía el fotón A. Los fotones A y B, si no han sido destruidos por la segunda medida, presentarán estados P y OAM arbitrarios (desconocidos mientras no sean medidos a posteriori).

Dibujo20150226 Experimental results q teleportation spin–orbit entanglement single photon - nature com

Este complicado protocolo cuántico tiene una probabilidad de éxito baja, de sólo el 3,1% (tiene éxito una de cada treinta y dos veces si todos los pasos se realizan con una eficiencia próxima al 100%). La concatenación de dos medidas conjuntas es todo un desafío experimental. Pero la teoría matemática es sencilla y se puede estudiar la probabilidad de éxito si se transfieren tres propiedades. El resultado es 1/4096, es decir, sólo un 0,02% (un valor tan pequeño impide que se vaya a demostrar este protocolo en los próximos años).

En resumen, se ha demostrado de forma experimental algo que parecía casi imposible. Un protocolo cuántico, aunque muy complicado, para el teletransporte conjunto de dos propiedades de un fotón. Futuros avances quizás logren simplificar este protocolo e incrementar su eficiencia. No ha lugar hablar de aplicaciones. Lo relevante aquí es que se ha demostrado que algo que parecía imposible es posible.


3 Comentarios

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Emilio MolinaEmilio Molina

Hoy en día podríamos llamarlo “copiar y pegar formato” más que teletransporte 🙂

AlbertoAlberto

Hola Francis, estoy realizando un pequeño trabajo sobre teleportacion cuántica y me interesa mucho como calcular la probabilidad de éxito al teleportarse varias propiedades, algún sitio donde leer más?

Muchas gracias y un saludo.

Francisco R. Villatoro

Alberto, ¿no te sirve el artículo original de Bennet et al.? http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.70.1895 ¿Sabes calcular el experimento EPR? Popescu te conecta ambos cálculos http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.797

Quizás prefieras un review que empiece por lo más básico, como Braunstein et al. http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.77.513, o también el review de Furusawa-Takei http://dx.doi.org/10.1016/j.physrep.2007.03.001 Ambos detallan los cálculos y están dirigidos a un físico que sepa un poco cuántica.

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