CIENCIA. Descubren conexión entre dos extraños fenómenos cuánticos: superposición y entrelazamiento

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Nueva conexión descubierta entre dos extraños fenómenos cuánticos, superposición y entrelazamiento, con implicaciones para la criptografía ultrasegura.

Un principio de equivalencia "más allá de lo cuántico" para la superposición y el entrelazamiento.

La física del microreino incorpora dos conceptos bien conocidos y extraños: el primero es que antes de la observación, es imposible saber con certeza el resultado de una medición en una partícula; más bien, la partícula existe en una 'superposición' que comprende muchos estados mutuamente excluyentes. Entonces, una partícula puede estar en dos o más lugares al mismo tiempo, y solo puedes calcular la probabilidad de encontrarla en un lugar determinado cuando miras. 

El segundo involucra el 'entrelazamiento', el vínculo espeluznante que puede unir dos objetos, sin importar cuán separados estén físicamente. La teoría cuántica describe matemáticamente tanto la superposición como el entrelazamiento.

Un estudio financiado por el Foundational Questions Institute (FQXi) encontró una nueva conexión entre dos extraños fenómenos cuánticos, la superposición y el entrelazamiento, con implicaciones para la criptografía ultrasegura.

Pero muchos físicos creen que la última teoría de la realidad puede estar más allá de la teoría cuántica. Ahora, un equipo de físicos y matemáticos ha encontrado una nueva conexión entre estas dos extrañas propiedades que no asume que la teoría cuántica sea correcta. Su estudio de investigación fue publicado en Physical Review Letters y ha sido seleccionado como una sugerencia de los editores por la revista.

Se ha descubierto una conexión novedosa entre el entrelazamiento y la superposición en cualquier teoría física, lo que ayuda a confirmar que la distribución de claves secretas en los protocolos criptográficos cuánticos actuales funcionará, incluso si la teoría cuántica es incorrecta y debe ser reemplazada por una teoría más fundamental, "más allá de la cuántica". Fuente: Ludovico Lami

Si bien la teoría cuántica ha demostrado ser sumamente exitosa desde su desarrollo hace un siglo, los físicos han luchado por unificarla con la gravedad para crear una "teoría del todo" global. 

Esto sugiere que la teoría cuántica puede no ser la última palabra en la descripción de la realidad, lo que inspira a los físicos a buscar un marco más fundamental. Pero cualquier teoría final de este tipo aún debe incorporar la superposición, el entrelazamiento y la naturaleza probabilística de la realidad, ya que estas características se han confirmado una y otra vez en las pruebas de laboratorio. La interpretación de estos experimentos no depende de que la teoría cuántica sea correcta, señalan los científicos.

Criptografía cuántica

También hay implicaciones prácticas. El entrelazamiento cuántico juega un papel clave en el diseño de las computadoras cuánticas, máquinas que podrían superar a las computadoras estándar en ciertas tareas, y en los protocolos criptográficos cuánticos, que ya están en uso y explotan las reglas cuánticas para proporcionar una comunicación ultrasegura a través de canales que, en teoría, son inmunes a la piratería. 

Pero si la teoría cuántica eventualmente necesita ser reemplazada por otra teoría más fundamental en el futuro, ¿descubriremos que estas reglas no eran realmente válidas o que estos protocolos criptográficos no son seguros como se prometió?

El problema es que para averiguarlo necesitas analizar la superposición y el entrelazamiento en términos de alguna teoría general, y aún desconocida, sin utilizar las matemáticas de la teoría cuántica. 

¿Cómo se puede hacer eso? Los físicos resolvieron este enigma estudiando "teorías probabilísticas generales", en lugar de la teoría cuántica. La investigación fue financiada para estudiar las características y limitaciones de la inteligencia en teorías probabilísticas generalizadas, permitiendo examinar cómo se procesa la información en abstracto clásico, cuántico y sistemas 'más allá del quántum'.

En el nuevo artículo, publicado en la revista Physical Review Letters , el equipo ha demostrado que dos teorías físicas exhiben entrelazamiento cuando se combinan, si y solo si ambas exhiben superposiciones locales. 

Esto significa que entrelazamiento y superposición son equivalentes en cualquier teoría física, no solo en la teoría cuántica. 

También calcularon que en los sistemas donde se mantiene esta equivalencia, ya sea cuántica o más allá de la cuántica, las leyes de la teoría pueden explotarse para un cifrado ultraseguro. En particular, el equipo demostró que cierto protocolo criptográfico cuántico popular, conocido como 'BB84', siempre funcionará, incluso si algún día se descubre que la teoría cuántica no es completamente correcta y debe ser reemplazada por una teoría más fundamental.

De alguna manera es tranquilizador saber que la criptografía es realmente una característica de todas las teorías no clásicas, y no solo una rareza cuántica, ya que muchos creen que la última teoría de la naturaleza probablemente será no clásica. Incluso si algún día se descubre que la teoría cuántica es incorrecta, sabremos que la distribución de claves secretas podría funcionar en principio.

Fuente: “Entanglement and Superposition Are Equivalent Concepts in Any Physical Theory” by Guillaume Aubrun, Ludovico Lami, Carlos Palazuelos and Martin Plávala, 22 April 2022, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.160402