El entrelazamiento cuántico es un extraño fenómeno por el que las partículas cuánticas se conectan tan profundamente que comparten la misma existencia. Antaño un hito rarísimo, entrelazar partículas se ha convertido en una actividad cotidiana en los laboratorios de todo el mundo.

Los físicos han aprendido cómo generar el entrelazamiento, transferirlo de una partícula a otra y hasta destilarlo. El entrelazamiento se ha convertido en un recurso en sí mismo. Y uno crítico para todo, desde la criptografía y la teleportación hasta la computación y la simulación. Pero queda un problema importante. Para realizar experimentos cada vez más complejos y potentes, los físicos necesitan generar el entrelazamiento a escalas cada vez mayores con más partículas a la vez.

Sin embargo, las cifras actuales son insignificantes. Los fotones son las mulas de carga en los trabajos cuánticos de la mayoría de los laboratorios y el récord de entrelazados es un mísero ocho a un ritmo aproximado de nueve eventos por hora.

Emplear las mismas técnicas para crear una tasa de recuento de diez fotones resultaría tan sólo en 170 por año,  pocos para medirlos de forma uniforme. Así que las perspectivas de mejora siempre han parecido remotas.

Por eso el trabajo de Xi-Lin Wang y sus compañeros en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Heifú resulta tan impresionante. La semana pasada, anunciaron que han producido un entrelazamiento de 10 fotones por primera vez, y lo han hecho con una tasa de recuento que es tres órdenes de magnitud más alta que cualquier cosa que se hubiera logrado hasta ahora.

El mayor cuello de botella con el entrelazamiento de fotones es la manera en que se produce. Incluye un proceso llamado conversión paramétrica espontánea a la baja. En ella un fotón energético se convierte en dos fotones de menor energía dentro de un cristal de beta-borato de bario. Los fotones resultantes están entrelazados de forma natural.

Al enfocar el cristal continuamente con una haz de láser, es posible crear un hilo de parejas de fotones entrelazados. Sin embargo, la tasa de conversión es diminuta, de tan sólo un fotón por billón. Así que la recogida eficiente de las parejas entrelazadas resulta enormemente importante.

No es tarea fácil, entre otras razones porque los fotones salen del cristal en direcciones ligeramente distintas, ninguna de las cuáles se puede predecir con facilidad. Los físicos recogen los fotones desde los dos puntos donde tienen más probabilidades de aparecer, pero la mayoría de los fotones entrelazados se pierden.

El equipo de Wang ha abordado este problema al reducir la incertidumbre sobre las direcciones que tomarán los fotones. Así ha podido dar forma a los haces de fotones entrelazados de modo que forman dos haces circulares individuales que se pueden recoger más fácil. De esta manera, el equipo ha generado parejas de fotones entrelazados al ritmo de aproximadamente 10 millones por vatio de potencia del láser. Es más luminoso que los generadores de entrelazamiento anteriores por un factor de cuatro, más o menos. Es esta mejora la que posibilita el entrelazamiento de 10 fotones.

Su método consiste en recoger cinco parejas de fotones entrelazados generadas sucesivamente para pasarlas a una red óptica de cuatro divisores de haz. Entonces el equipo introduce demoras temporales que aseguran que los fotones lleguen a los divisores de haz a la vez y resulten entrelazados.

Esto genera el entrelazamiento de 10 fotones, aunque a un ritmo de unos cuatro por hora, un ritmo lento pero que por fin resulta medible por primera vez. "Demostramos, por primera vez, el entrelazamiento auténtico y destilable de 10 fotones individuales", escribe el equipo de Wang.

Es un trabajo impresionante que de inmediato abre la perspectiva de una nueva generación de experimentos. El más emocionante es una técnica llamada muestreo de bosones que los físicos esperan que demuestre que los ordenadores cuánticos realmente podrán hacer cosas que los ordenadores clásicos no.

Es importante porque nadie ha desarrollado un ordenador cuántico más potente que una calculadora de bolsillo (controvertidos resultados de D-Wave Systems aparte). Tampoco es probable que lo hagan en un futuro próximo. Así que el muestreo de bosones representa la mayor esperanza de los físicos para demostrar la potencia inconcebible de la computación cuántica por primera vez.

Otras cosas también se verán posibilitadas, como la teletransportación cuántica de los tres grados de libertad en un fotón individual y experimentos multifotón que abarquen grandes distancias. Pero es la posibilidad del muestreo de bosones lo que enviará un escalofrío a recorrer toda la comunidad de la física cuántica.

Ref: arxiv.org/abs/1605.08547: Experimental Ten-Photon Entanglement