teleportación cuántica

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La teleportación cuántica es un protocolo para transferir un estado cuántico usando un par entrelazado previamente distribuido y un canal clásico. A diferencia del fax, el estado no se copia, sino que se transfiere destruyendo el original (por el teorema de no clonación). La medición de Bell produce uno de cuatro resultados; estos bits clásicos le indican al receptor qué transformación unitaria aplicar para recuperar el estado. El protocolo no transmite información más rápido que la luz, ya que la señal clásica está limitada por esa velocidad.

History

El protocolo fue propuesto en 1993 por Charles Bennett, Gilles Brassard y colegas. En 1997, los grupos de Anton Zeilinger y Francesco De Martini teleportaron por primera vez estados de fotones. El récord de distancia, 143 km, se estableció en 2012.

How it works

Alice y Bob reciben cada uno una partícula de un par entrelazado (por ejemplo, dos fotones con polarización entrelazada). Alice combina la partícula X, cuyo estado se va a transferir, con su parte del par entrelazado y realiza una medición de Bell. Esta da uno de cuatro resultados, codificados en dos bits. Recibidos estos bits, Bob ejecuta en su partícula una de cuatro operaciones, restaurando exactamente el estado X. El estado original de X se destruye al medir.

💡 Sin la señal clásica con los resultados de la medición, el receptor solo ve ruido aleatorio. Por eso la teleportación no viola la causalidad ni permite comunicación superlumínica.

La teleportación cuántica es un procedimiento para trasladar un estado cuántico sin transferir físicamente el portador. Se requiere: un par máximamente entrelazado (estado de Bell), un canal clásico y operaciones locales. Estado original: |ψ⟩₁ = α|0⟩₁ + β|1⟩₁. Par entrelazado: |Φ⁺⟩₂₃ = (|00⟩₂₃ + |11⟩₂₃)/√2. La medición de Bell sobre los cúbits 1 y 2 proyecta el cúbit 3 a uno de cuatro estados, que se corrigen con operadores de Pauli (I, X, Z, XZ) según los dos bits clásicos, recuperando |ψ⟩₁. En la medición no se revelan las amplitudes α y β. El protocolo es aplicable a cualquier estado, pero requiere alto entrelazamiento y protección contra la decoherencia.

History

El concepto fue propuesto en 1993 por Charles Bennett, Gilles Brassard y coautores. Los primeros experimentos con fotones fueron realizados en 1997 por los grupos de Anton Zeilinger y Francesco De Martini. En 2012 se logró teleportación a 143 km. En 2016, el satélite chino 'Mozi' (Micius) teleportó estados entre el satélite y la Tierra.

How it works

La teleportación utiliza el entrelazamiento y la linealidad. La medición de Bell proyecta un par en un estado entrelazado, y la partícula remota se corrige con una operación unitaria. La necesidad de la señal clásica asegura la causalidad. La imposibilidad de medir directamente el estado original se relaciona con el principio de incertidumbre. El protocolo es una forma de corrección cuántica de errores. Experimentalmente se emplean fotones con polarización entrelazada, intervalos temporales o momento angular orbital. Las fuentes de pares entrelazados son la conversión paramétrica descendente espontánea; la medición de Bell se realiza con interferómetros, y las operaciones condicionales con moduladores rápidos.

|\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle + |11\rangle)

|\Phi^\pm\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle \pm |11\rangle), |\Psi^\pm\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|01\rangle \pm |10\rangle)

Cuatro estados entrelazados ortonormales de dos cúbits; los signos ± distinguen combinaciones simétricas y antisimétricas. La medición sobre dos cúbits los proyecta a uno de estos estados, proporcionando 2 bits de información.

I = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, X = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, Z = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}, XZ = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}

I es la operación identidad (no hacer nada); X es la puerta cuántica NOT (intercambia 0↔1); Z es la puerta de fase (cambia el signo de la amplitud de |1⟩); XZ es la aplicación secuencial de X y Z. Se aplican al cúbit de Bob para restaurar el estado original tras recibir los bits clásicos.

Open problems & fun facts

Aumentar la distancia de teleportación manteniendo la fidelidad (problema de decoherencia y pérdidas en fibra óptica o espacio libre); Teleportación de estados complejos de múltiples partículas o de objetos macroscópicos (por ejemplo, conjuntos de átomos); Creación de repetidores cuánticos para construir un internet cuántico global; Compatibilidad con diferentes plataformas físicas (teleportación híbrida entre átomos y fotones)

💡 El término 'teleportación' fue acuñado por el escritor Charles Fort en 1931. La idea de teleportación cuántica se popularizó tras un artículo en Nature (1997) con una foto del 'rayo de Star Trek', aunque el protocolo solo transfiere información cuántica, no materia.

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