Protocolo de cosecha de entrelazamiento
Hace tiempo que se sabe que los estados del vacío descritos por la teoría cuántica de campos están altamente entrelazados en regiones del espaciotiempo [1]. Además, estos lugares fuertemente correlacionados (entrelazados) del espaciotiempo cuántico pueden utilizarse o «cosecharse» con fines experimentales, así como para aplicaciones tecnológicas potenciales como la extracción y el almacenamiento de energía del vacío. Esta técnica de utilización de las correlaciones intrínsecas no locales del vacío cuántico se denomina cosecha de enredos, algo que ya hemos tratado en artículos anteriores de la ISF como el protocolo de teletransporte de energía cuántica (que tiene una presentación webinar en directo asociada).
Los fundamentos teóricos de la cosecha de entrelazamiento se sentaron en la década de 1980, cuando los físicos Summers y Werner demostraron por primera vez que el estado de vacío de un campo cuántico contiene entrelazamiento entre regiones separadas espacialmente [2,3].
Sin embargo, no fue hasta principios de la década de 2000 cuando los físicos empezaron a explorar cómo extraer en la práctica este entrelazamiento. Valentini sugirió por primera vez en 1991 que los detectores de partículas podían entrelazarse a través de su interacción con el vacío [4]. Posteriormente, en 2003, Reznik realizó un trabajo pionero que estableció formalmente el protocolo de extracción del entrelazamiento [5].
El protocolo implica dos sistemas cuánticos que se acoplan localmente a un campo cuántico; estos sistemas cuánticos se describen generalmente como un detector de Unruh-Dewitt, como un átomo de dos niveles, que puede estar en uno de dos estados dependiendo de su acoplamiento con un campo cuántico, como el campo electromagnético (figura 1, véase también mi artículo Unruh-Hawking Radiation Observed in Accelerating Electrons). A través de su interacción con el campo vacío, estos detectores inicialmente no correlacionados pueden entrelazarse, incluso cuando están separados espacialmente y no pueden comunicarse directamente. Este notable fenómeno demuestra que el propio vacío cuántico contiene correlaciones cuánticas extraíbles. En mi estudio sobre El nexo de entrelazamiento de la conciencia [6], exploré algunas de las implicaciones de lo que significa que los sistemas cuánticos puedan entrelazarse incluso sin interacción local directa, sino a través de las correlaciones intrínsecas del vacío cuántico (un verdadero nexo de entrelazamiento para átomos y moléculas).
Los primeros trabajos teóricos se centraron en comprender los aspectos fundamentales de la recolección de enredos. Ver Steeg y Menicucci demostraron que el protocolo es sensible a la curvatura del espaciotiempo y puede distinguir entre distintas geometrías de fondo [8]. El protocolo también ha demostrado su utilidad en aplicaciones de metrología cuántica.
La metrología cuántica es la ciencia que utiliza los fenómenos cuánticos para mejorar la precisión y exactitud de las mediciones más allá de los límites de las técnicas clásicas. Aprovecha propiedades mecánicas cuánticas únicas como el entrelazamiento, la superposición y los estados comprimidos para lograr una mayor sensibilidad en la medición de magnitudes físicas como el tiempo, la distancia, los campos magnéticos o las ondas gravitacionales. Por ejemplo, los estados comprimidos son una técnica en la que la incertidumbre en una propiedad (por ejemplo, la fase) se reduce a expensas de una mayor incertidumbre en una propiedad complementaria (por ejemplo, la amplitud), lo que mejora la sensibilidad de la medición en la dimensión deseada. Lo más destacado para este debate es que se puede utilizar un protocolo de recolección de entrelazamiento porque múltiples sensores o detectores pueden entrelazarse cuánticamente a través de las correlaciones intrínsecas no locales del vacío cuántico y el entrelazamiento puede aprovecharse para permitir mediciones más precisas que las que se pueden lograr con sistemas independientes.
El concepto de «cultivo del entrelazamiento» supuso un avance significativo: la idea de que el entrelazamiento en el vacío podía cosecharse repetidamente y destilarse en pares de Bell para utilizarlo como recurso cuántico. Esto abrió posibilidades prácticas para aplicaciones de procesamiento de información cuántica.
Trabajos recientes han seguido ampliando nuestros conocimientos sobre la recolección de enredos. Un artículo publicado en 2024 por Teixidó-Bonfill y Martín-Martínez demostró que los detectores de partículas acoplados a un campo a través de su derivada (en lugar de su amplitud) pueden realmente cosechar entrelazamiento incluso cuando están en contacto causal [9].
El término acoplamiento derivativo se refiere a una interacción específica entre un sistema cuántico, como un detector de partículas, y un campo cuántico, donde el sistema se acopla a las derivadas espaciales o temporales del campo en lugar de al valor del campo en sí. Esto significa que la interacción del detector depende de la tasa de cambio del campo en un punto, captando cómo varía el campo en el espacio o el tiempo.
En la teoría cuántica de campos, los mecanismos de acoplamiento describen cómo interactúan los sistemas con los campos. Un acoplamiento derivativo implica que el detector interactúa con el gradiente (derivada espacial) o la derivada temporal del campo. Esto contrasta con el acoplamiento mínimo, en el que la interacción es directamente con el valor del campo en un punto.
Así pues, Teixidó-Bonfill y Martín-Martínez demostraron que el acoplamiento derivativo permite la recolección de entrelazamiento genuino entre detectores incluso cuando se encuentran dentro de los conos de luz del otro, lo que significa que pueden influirse causalmente entre sí. Este hallazgo es significativo porque demuestra que se puede extraer entrelazamiento del campo en escenarios en los que la comunicación causal directa es posible, lo que desafía las suposiciones anteriores de que la recolección de entrelazamiento se limita a regiones separadas espacialmente.
La investigación pone de relieve el papel del acoplamiento derivativo a la hora de posibilitar la cosecha de entrelazamiento en situaciones que implican contacto causal, aportando nuevos conocimientos sobre la interacción entre los campos cuánticos y el entrelazamiento.
Esto es especialmente relevante para las aplicaciones experimentales, ya que el acoplamiento derivativo aparece de forma natural en diversos sistemas físicos, como los circuitos superconductores acoplados a líneas de transmisión. Así pues, la agricultura del entrelazamiento está experimentando avances significativos en su comprensión y aplicabilidad, y el último avance en acoplamiento derivativo permite una auténtica cosecha de entrelazamiento durante el contacto causal (en el que los sistemas cuánticos, como los qubits, no tienen que mantener el aislamiento espacial).
A medida que avanzan las tecnologías cuánticas, la cosecha de entrelazamiento puede proporcionar un recurso novedoso para el procesamiento cuántico de la información. La capacidad de extraer y utilizar el entrelazamiento del vacío podría permitir nuevas capacidades en comunicación, computación y detección cuánticas. Los recientes avances en el acoplamiento derivado nos acercan a implementaciones prácticas al tiempo que profundizan nuestra comprensión de la naturaleza cuántica del vacío.
Implementación de la agricultura de enredos para la extracción práctica de energía del vacío cuántico
En artículos anteriores hemos explorado cómo el vacío cuántico, lejos de ser un espacio vacío, contiene una rica estructura y energía inherente incluso en su estado básico, que se puede revisar en nuestros artículos como Spacetime Engineering & Harnessing Zero-point Energy of the Quantum Vacuum, y Experiment Generates Electron-Positron Plasma from the Vacuum (se puede acceder a ambos artículos a través de los hipervínculos proporcionados).
Esta energía del vacío se manifiesta en varios fenómenos comprobados experimentalmente, como el efecto Casimir [Controlling the Quantum Vacuum for Energy Transfer and Functional Casimir Devices], la polarización del vacío [Experiment Generates Electron-Positron Plasma from the Vacuum] y muchos fenómenos ópticos [por ejemplo, la emisión espontánea]. De especial relevancia para los recientes avances experimentales es el entrelazamiento espacial intrínseco de las fluctuaciones del vacío cuántico, que crea una red de correlaciones a las que se puede acceder y utilizar mediante protocolos cuidadosamente diseñados.
El protocolo de teletransporte de energía cuántica (QET), propuesto por primera vez por Masahiro Hotta en 2008, proporcionó un marco teórico para extraer energía de lo que ahora entendemos como un estado de «cuasivacío» [10]. Aunque este estado comparte muchas propiedades con el vacío real, se describe más exactamente como un estado pasivo fuertemente local (SLP), del que no se puede extraer energía únicamente mediante operaciones locales, debido a la implicación indeleble de correlaciones no locales. El estado básico entrelazado es un estado pasivo fuertemente local (SL), y dicha pasividad SL se asocia en sistemas de muchos cuerpos con la presencia de entrelazamiento en el estado básico de un modo que sugiere fenómenos cuánticos colectivos como las transiciones de fase cuántica, la superconductividad y el efecto Hall cuántico. Por lo tanto, es muy interesante desde una perspectiva tecnológica, ya que los estados cuánticos macroscópicos / colectivos tienen importantes aplicaciones potenciales, y el papel de la pasividad SL en el teletransporte cuántico de energía.
Inicialización del protocolo QET mejorado
Los protocolos de QET constan de operaciones locales y comunicación clásica. Midiendo la fluctuación local inducida por una oscilación de punto cero en el estado básico de un sistema cuántico de muchos cuerpos y anunciando el resultado de la medición a puntos distantes, se puede teletransportar energía de forma efectiva sin romper ninguna ley física, incluyendo la causalidad y la conservación de la energía local…. Los campos cuánticos en estados de vacío llevan una cantidad infinita de entrelazamiento cuántico. -Hotta [11].
El protocolo QET original demostró la posibilidad de extraer energía de las correlaciones del vacío, pero adolecía de una limitación importante: la energía extraída se perdía en los dispositivos de medición clásicos, por lo que no estaba disponible para aplicaciones prácticas. El protocolo mejorado, recientemente demostrado experimentalmente [12], supera esta limitación mediante la introducción de un tercer qubit que sirve como dispositivo de almacenamiento de energía cuántica. Este avance representa un progreso significativo en la termodinámica cuántica y en las técnicas de captación de energía.
La adición del tercer qubit cambia fundamentalmente la dinámica del sistema al proporcionar una solución de almacenamiento mecánico cuántico que preserva la naturaleza coherente de la energía extraída. Esta preservación es crucial porque mantiene las propiedades cuánticas de la energía extraída, permitiendo su uso posterior en operaciones cuánticas o su transferencia a otros sistemas cuánticos. La validación experimental de este protocolo mejorado abre nuevas posibilidades para las redes de distribución de energía cuántica y podría revolucionar nuestro enfoque de la captación de energía a escala cuántica.
Aunque el protocolo mejorado de teletransporte de energía cuántica probablemente sólo tenga aplicaciones prácticas en la informática cuántica y los sistemas de comunicación cuántica en un futuro previsible -donde la gestión de la energía a nivel microscópico es crucial para mantener la coherencia cuántica y realizar operaciones complejas-, tiene un significado más profundo, ya que es una prueba de principio de que la densidad de energía del vacío cuántico se puede utilizar, no está termodinámicamente muerta como se presume erróneamente. En este caso, la energía se teletransporta a través de las correlaciones no locales del estado de vacío y se almacena en un subsistema cuántico.
Verificación experimental del QET mejorado
La validación experimental del protocolo QET mejorado se realizó utilizando el ordenador cuántico superconductor de IBM «ibm_brisbane». El protocolo consta de tres pasos distintos:
- Preparación del estado básico inicial de tres qubits
- Preparación posterior a la medición del qubit de almacenamiento
- Extracción y transferencia de energía del qubit de medida al qubit de almacenamiento
Aunque sólo se trataba de un gedankenexperimento realizado en un ordenador cuántico, los investigadores pudieron demostrar una extracción y almacenamiento óptimos de energía dentro de la simulación. Los resultados experimentales concuerdan notablemente con las predicciones teóricas en las tres fases del protocolo. Esta verificación representa una importante prueba de concepto para la extracción y el almacenamiento controlados de energía a partir de correlaciones cuánticas en el vacío. El siguiente paso es, obviamente, implementar el protocolo en un sistema físico real de tres qubits para validarlo en el mundo real.
Implicaciones y aplicaciones futuras
La aplicación con éxito del protocolo QET mejorado abre numerosas posibilidades para las tecnologías cuánticas. La capacidad de almacenar la energía del vacío extraída dentro de los sistemas cuánticos podría permitir:
- Baterías cuánticas que utilicen la energía del vacío (las baterías extraen energía de la energía de punto cero)
- protocolos de comunicación cuántica mejorados
- Mejora de los cálculos cuánticos, con un control preciso del estado multiqubit.
- Sondas experimentales de termodinámica cuántica.
Motores de fluctuación del vacío cuántico de muchos cuerpos
Un último avance que analizaremos es una notable investigación que ha revelado una forma apasionante de aprovechar la energía del vacío cuántico a través de motores de fluctuación del vacío cuántico de muchos cuerpos. Este enfoque se basa en los protocolos de teletransporte de energía cuántica (QET) y de recolección de entrelazamiento. Estos motores funcionan capturando la diferencia de energía entre el estado básico entrelazado de un sistema cuántico que interactúa y sus estados locales separables.
Al igual que el QET, el principio operativo fundamental consiste en realizar mediciones de energía local en un sistema de muchos cuerpos en interacción, lo que puede producir estados excitados de los que se puede extraer trabajo mediante operaciones de retroalimentación local. Estas mediciones revelan las fluctuaciones del vacío cuántico presentes en el estado básico global cuando se observan en la base local, proporcionando la energía necesaria para hacer funcionar el motor. El proceso de medición «colapsa» el estado cuántico -la red de entrelazamiento sufre una breve decoherencia- y rompe temporalmente las delicadas correlaciones cuánticas que caracterizan el estado básico.
Este proceso de excitación inducido por la medición es especialmente fascinante porque aprovecha efectos puramente mecánicos cuánticos, en concreto, la incertidumbre inherente y las correlaciones no locales presentes en los sistemas cuánticos. La energía extraída procede de las propias fluctuaciones del vacío cuántico, y no de ningún aporte energético externo. Esto representa un paradigma fundamentalmente distinto del de los motores térmicos clásicos.
Como se muestra en la Figura 6, la fase de restablecimiento es sencilla: basta con acoplar el sistema multicuerpo interactuante a un baño frío y dejar que se relaje hasta alcanzar su estado básico de entrelazamiento. Durante este proceso de relajación, las correlaciones cuánticas se restablecen gradualmente a medida que el sistema disipa energía al entorno y vuelve a su configuración de menor energía. Así se completa el ciclo y se prepara el sistema para la siguiente ronda de medición y extracción de energía.
Este concepto se ha demostrado teóricamente para dos tipos distintos de sistemas de muchos cuerpos: cadenas de qubits acoplados y redes de osciladores armónicos acoplados, que representan fielmente las excitaciones fermiónicas y bosónicas, respectivamente. En ambos casos, los resultados analíticos muestran que para un gran número de subsistemas acoplados, la producción media de trabajo escala linealmente o más rápido y domina sobre las fluctuaciones, mientras que la eficiencia se aproxima a un valor constante.
La eficiencia está controlada por lo que los investigadores denominan «brecha de entrelazamiento local», es decir, la diferencia de energía entre el estado básico de muchos cuerpos y el estado propio de menor energía del hamiltoniano local. En el caso de las cadenas de qubits, el trabajo y la eficiencia aumentan considerablemente en los puntos críticos cuánticos. En el caso de las cadenas de osciladores unidimensionales, la eficiencia se aproxima notablemente a la unidad a medida que aumenta el número de osciladores acoplados, incluso manteniendo una producción de trabajo finita.
Una ventaja clave de este enfoque es que el recurso de entrelazamiento llega «gratis» a través de la relajación natural al estado básico, en lugar de requerir complejas operaciones de puerta cuántica para generarlo. Sin embargo, el principal reto experimental reside en implementar medidas locales suficientemente rápidas y potentes que puedan superar el acoplamiento entre sistemas cuánticos vecinos.
Este trabajo representa un avance teórico significativo en termodinámica cuántica y apunta hacia nuevas posibilidades de extraer trabajo útil de las fluctuaciones del vacío cuántico a medida que las tecnologías cuánticas sigan desarrollándose. La combinación de altas eficiencias teóricas y mecanismos de restablecimiento conceptualmente sencillos convierte a los motores de fluctuación del vacío cuántico de muchos cuerpos en una dirección intrigante para futuras implementaciones experimentales. Curiosamente, el protocolo mejorado de teletransporte de energía cuántica puede aplicarse directamente a esta técnica para que el trabajo extraído de las fluctuaciones del vacío cuántico a través de la decoherencia del entrelazamiento de un sistema de qubits pueda almacenarse, creando quizás una batería cuántica que se recargue continuamente extrayendo energía del vacío cuántico (Dispositivo de conversión de energía utilizando un motor cuántico con el medio de trabajo del entrelazamiento de dos átomos [14]).
Aspectos destacados
La demostración con éxito del almacenamiento de energía a partir de correlaciones cuánticas de vacío representa un hito significativo en nuestra comprensión y utilización de la energía del vacío. Mientras que experimentos anteriores mostraban la posibilidad de extraer dicha energía, la capacidad de almacenarla dentro de sistemas cuánticos abre posibilidades totalmente nuevas para aplicaciones prácticas. Este logro también aporta más pruebas de la naturaleza sustantiva del vacío cuántico y de su utilidad potencial en tecnologías futuras.
El protocolo QET mejorado demuestra que el vacío cuántico no es una mera construcción teórica, sino un recurso real y accesible para las tecnologías cuánticas. A medida que sigamos desarrollando métodos más sofisticados para manipular sistemas cuánticos, las aplicaciones prácticas de la extracción y el almacenamiento de energía del vacío pueden ser cada vez más importantes para las futuras tecnologías cuánticas.
El protocolo QET mejorado probablemente sólo tendrá aplicaciones de nicho en un futuro previsible, como en computación cuántica, comunicación cuántica y posiblemente nanotecnología (alimentación de nanodispositivos), ya que desde la perspectiva del aprovechamiento de la densidad de energía cuántica del vacío se está «extrayendo» la misma cantidad de energía que se inyectó en el vacío y se trata de cantidades muy pequeñas. Sin embargo, la utilización del entrelazamiento cuántico es una excelente demostración empírica de que las correlaciones EPR son reales e implican al vacío cuántico, mostrando cómo las fluctuaciones del vacío están intrínsecamente entrelazadas -quizás fundamentalmente a través de conexiones de microagujeros de gusano (puentes de Einstein-Rosen o ER) en el espacio-tiempo- lo que hace que el vínculo con ER = ERP no sea tan descabellado.
Además, el motor de fluctuación del vacío cuántico de muchos cuerpos extrae energía directamente de las fluctuaciones energéticas de la densidad de energía del vacío. Estos protocolos ofrecen una prueba directa del concepto de que se puede utilizar la densidad de energía del vacío cuántico. Es poco probable que estas metodologías concretas permitan el aprovechamiento a gran escala de la energía del vacío cuántico, pero permiten realizar pruebas tecnológicas directas de la transferencia y el almacenamiento de energía con el entrelazamiento cuántico, y esto puede proporcionar una perspectiva inestimable para las técnicas que extraerán una enorme energía del vacío cuántico, como con los sistemas magnetohidrodinámicos de plasma de espín-coherencia (Figura 5).
Referencias
[1] S. J. Summers and R. Werner, The vacuum violates Bell’s inequalities, Phys. Lett. A 110, 257 (1985).
[2] S. J. Summers and R. Werner, Bell’s inequalities and quantum field theory. II. Bell’s inequalities are maximally violated in the vacuum, J. Math. Phys. (N.Y.) 28, 2448 (1987).
[3] S. J. Summers and R. Werner, Bell’s inequalities and quantum field theory. I. General setting, J. Math. Phys. (N.Y.) 28, 2440 (1987).
[4] A. Valentini, “Non-local correlations in quantum electrodynamics,” Physics Letters A, vol. 153, no. 6, pp. 321–325, Mar. 1991, doi: 10.1016/0375-9601(91)90952-5.
[5] B. Reznik, “Entanglement from the Vacuum,” Foundations of Physics, vol. 33, no. 1, pp. 167–176, Jan. 2003, doi: 10.1023/A:1022875910744.
[6] William Brown. Unified Physics and the Entanglement Nexus of Awareness. Journal of Neuroquantology; Vol 17, No 7 (2019).
[7] G. Gregori, G. Marocco, S. Sarkar, R. Bingham, and C. Wang, “Measuring Unruh radiation from accelerated electrons,” Eur. Phys. J. C, vol. 84, no. 5, Art. no. 5, May 2024, doi: 10.1140/epjc/s10052-024-12849-9.
[8] G. V. Steeg and N. C. Menicucci, “Entangling power of an expanding universe,” Phys. Rev. D, vol. 79, no. 4, p. 044027, Feb. 2009, doi: 10.1103/PhysRevD.79.044027.
[9] A. Teixidó-Bonfill and E. Martín-Martínez, “Derivative coupling enables genuine entanglement harvesting in causal communication,” Jun. 20, 2024, arXiv: arXiv:2406.14637. doi: 10.48550/arXiv.2406.14637.]
[10] M. Hotta, “A protocol for quantum energy distribution,” Physics Letters A, vol. 372, no. 35, pp. 5671–5676, Aug. 2008, doi: 10.1016/j.physleta.2008.07.007].
[11] M. Hotta, “Controlled Hawking Process by Quantum Energy Teleportation,” Phys. Rev. D, vol. 81, no. 4, p. 044025, Feb. 2010, doi: 10.1103/PhysRevD.81.044025.
[12] S. Xie, M. Sajjan, and S. Kais, “Extracting and Storing Energy From a Quasi-Vacuum on a Quantum Computer,” Sep. 06, 2024, arXiv: arXiv:2409.03973. doi: 10.48550/arXiv.2409.03973.
[13] É. Jussiau, L. Bresque, A. Auffèves, K. W. Murch, and A. N. Jordan, “Many-body quantum vacuum fluctuation engines,” Phys. Rev. Research, vol. 5, no. 3, p. 033122, Aug. 2023, doi: 10.1103/PhysRevResearch.5.033122.
[14] J.-W. Zhang et al., “Energy-Conversion Device Using a Quantum Engine with the Work Medium of Two-Atom Entanglement,” Phys. Rev. Lett., vol. 132, no. 18, p. 180401, Apr. 2024, doi: 10.1103/PhysRevLett.132.180401.
