Entanglement inference from quantum erasure and path discrimination

En el extraño mundo de la física cuántica, las partículas pueden existir en un estado de profunda conexión conocido como entrelazamiento, donde el comportamiento de una influye instantáneamente en otra, sin importar cuán lejos estén la una de la otra. Este fenómeno es el motor detrás de tecnologías emergentes como la comunicación ultra segura y las potentes nuevas computadoras. Sin embargo, demostrar que dos partículas están verdaderamente entrelazadas es difícil. Los científicos suelen confiar en una prueba clásica que involucra un interferómetro de dos trayectorias, un dispositivo que divide la trayectoria de una partícula en dos posibilidades. Si se le añade un "marcador" a la partícula para registrar qué trayectoria tomó, el patrón de interferencia que usualmente aparece desaparece. Pero si este marcador se mide de una manera específica que borra la información de la trayectoria, el patrón de interferencia puede reaparecer. La recuperación de este patrón se llama borrador cuántico. Durante décadas, la capacidad de recuperar estos patrones se ha tratado como una fuerte señal de entrelazamiento. Sin embargo, una pregunta persistente permanecía: ¿el mero hecho de recuperar estos patrones garantiza que las partículas están entrelazadas, o podría una configuración más simple y no entrelazada imitar los mismos resultados?

Un investigador ha respondido ahora a esta pregunta con una rigurosa prueba matemática, demostrando que la recuperación de los patrones de interferencia no es suficiente por sí sola para confirmar el entrelazamiento. Demostró que es posible construir un sistema físico que no esté entrelazado en absoluto y que, aun así, produzca exactamente los mismos patrones recuperados y los mismos datos de discriminación de trayectoria que un sistema altamente entrelazado. En su estudio, comparó dos preparaciones diferentes de sistemas de tres cúbits. Una preparación utilizó un estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) estándar y profundamente entrelazado, donde las tres partículas están vinculadas entre sí. La otra preparación utilizó un estado "marcado", que contenía solo pares de partículas entrelazadas y era, por lo demás, totalmente separable. A pesar de estas diferencias fundamentales en sus conexiones internas, ambas configuraciones generaron franjas de interferencia idénticas cuando se midieron los marcadores e identidades probabilidades para adivinar la trayectoria de la partícula. Este hallazgo demuestra que los registros de medición de un borrador cuántico, incluso cuando se combinan con datos óptimos de discriminación de trayectoria, no identifican de manera única la fuente del entrelazamiento.

Para resolver esta ambigüedad, el investigador exploró qué información adicional se requiere para distinguir entre una fuente verdaderamente entrelazada y un imitador engañoso y no entrelazado. Encontró que el simple hecho de observar las franjas recuperadas o las mejores probabilidades de adivinación de la trayectoria deja la puerta abierta a la explicación separable y falsa. Sin embargo, el panorama cambia cuando los científicos registran los resultados conjuntos completos de mediciones específicas, particularmente aquellas que involucran la paridad, o la evidencia o imparidad de los resultados combinados. Cuando el investigador incluyó estas correlaciones de paridad en sus datos, el conjunto de explicaciones posibles se redujo significamente. Descubrió que, para ciertas direcciones de medición, los datos ya no podían explicarse mediante ningún estado separable, forzando la conclusión de que la presencia de un entrelazamiento multipartito genuino debe estar presente.

El estudio fue más allá al mapear exactamente qué direcciones de medición son capaces de realizar esta certificación. Para un sistema de tres cúbits, identificó una regla geométrica: para certificar el entrelazamiento genuino, la medición adicional sobre el tercer marcador debe estar inclinada de una manera específica con respecto a las otras. Si el eje de medición se encuentra en ciertos planos prohibidos, un imitador separable aún puede existir. Pero si el eje se inclina de modo que tenga componentes tanto en la dirección horizontal como en la vertical con respecto a los otros marcadores, el imitador falla y la presencia de entrelazamiento genuino queda matemáticamente garantizada. El investigador también calculó la cantidad precisa de ruido, o ruido blanco, que un sistema puede tolerar antes de que esta certificación se rompa. Para un conjunto específico de ángulos de medición, determinó que el sistema permanece certificablemente entrelazado siempre que la fracción de ruido se mantenga por debajo de aproximadamente 0.149. Esto significa que, incluso en un entorno ruidoso, el entrelazamiento puede probarse si se realizan las mediciones correctas.

El trabajo establece un nuevo estándar para lo que se puede afirmar basándose en los registros experimentales. Muestra que los científicos no pueden asumir que una fuente está entrelazada solo porque ven franjas recuperadas; deben observar el conjunto completo de correlaciones. El investigador proporcionó un método constructivo para construir un "testigo", una prueba matemática específica basada en los datos registrados, que puede certificar el entrelazamiento sin necesidad de conocer los detalles de cómo se prepararon las partículas. Este enfoque es robusto contra el ruido y depende únicamente de los datos recolectados. Al distinguir entre lo que es simplemente compatible con los datos y lo que es necesariamente requerido por ellos, el estudio aclara la frontera entre la mímica clásica y la realidad cuántica. Los resultados confirman que, si bien el borrado cuántico es una herramienta poderosa, son las correlaciones adicionales, cuidadosamente elegidas, las que finalmente desbloquean la verdad sobre el entrelazamiento oculto dentro del sistema.