Científicos de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) han probado la validez de la representación tomografía de estados cuánticos, lo que puede ayudar a trabajar con tecnologías cuánticas para transmitir información de manera más eficiente y segura.
Cualquier sistema físico - sea un electrón, una molécula de agua, un virus, un ser humano, un planeta entero - está caracterizado en cada instante de manera distintiva y específica, en un lugar determinado y con unas características particulares. Esto es lo que llamamos el “estado del sistema”, pero cuando se intenta describir dicho “estado” de manera precisa de acuerdo con nuestro conocimiento actual de las leyes que rigen el universo es necesario recurrir a formulaciones abstractas, ya que las leyes de la física cuántica, la teoría física que mejor describe el universo en el que existimos, son muy diferentes a las que rigen la física clásica de Newton. Durante el último siglo diversos científicos han obtenido diversas representaciones que ayudan a entender el mundo de la mecánica cuántica, que impera en el entorno de lo más pequeño, de lo subatómico. Ahora investigadores de la UC3M que trabajan en la descripción tomográfica de los estados cuánticos han probado que ésta es equivalente a las descripciones clásicas realizadas por grandes científicos del siglo XX, al contener la misma información y ser igual de rica que éstas.
“Estamos intentando deslindar los aspectos conceptuales de la representación tomográfica de estados cuánticos y prácticamente acabamos de probar que la representación tomográfica de los estados cuánticos es completa, esto es, que es tan buena como las representaciones tradicionales debidas a Schrodinger, Heisenberg, Dirac, etc.”, asegura el catedrático de la UC3M, Alberto Ibort. Él lleva investigando esta materia desde hace unos años y ha publicado recientemente un resumen de sus hallazgos sobre la tomografía de estados cuánticos en un artículo en la revista Physics Letters A, en colaboración con científicos del Instituto de Física Lebedev (Rusia) y de la Universidad de Nápoles Federico II (Italia).
El mundo cuántico al detalle
Lo que tratan de hacer estos investigadores es diseccionar los estados cuánticos para describir su naturaleza real de una forma parecida, aunque más sofisticada, a cómo funcionan algunas máquinas de diagnóstico de los hospitales. “Una imagen tomográfica de un estado cuántico describe el estado cuántico completamente, al igual que una imagen tomográfica ordinaria nos permite visualizar un organismo o un cuerpo con todos sus detalles”, explica el profesor Ibort, del Departamento de Matemáticas de la UC3M. De esta forma, una representación tomográfica de un estado cuántico es una función matemática que se obtiene al realizar ciertas manipulaciones del sistema físico que se pretenda analizar, de la misma manera que la tomografía computerizada empleada en los hospitales obtiene una función de la densidad de los tejidos humanos en cualquier dirección para poder reconstruir después una imagen 3D de nuestro cuerpo.
La utilización de técnicas tomográficas puede tener enormes implicaciones en las tecnologías de la comunicación, según los investigadores. “Si la tomografía cuántica se desarrolla como la tomografía médica, podríamos utilizar métodos derivados de ella para mejorar la transmisión de información por canales cuánticos”, comenta Alberto Ibort. Y es que una de las principales aplicaciones de las tecnologías cuánticas es la manipulación y transmisión de la información utilizando las propiedades cuánticas de la luz. En este sentido, la tomografía cuántica permite manipular la luz a nivel cuántico de manera diferente y más versátil. Por ejemplo, podría pensarse en “comprimir” información cuántica (qbits) utilizando una representación tomográfica de ella, según los expertos.
El campo de la Información Cuántica es una de las áreas de desarrollo mas prometedoras dentro de la Física y adquiere su mayor relevancia en la criptografía cuántica y la computación cuántica. Estas tecnologías prometen, por ejemplo, comunicaciones absolutamente seguras y una capacidad computacional inmensa, de forma que están llamadas a revolucionar nuestras vidas de manera comparable a como lo hicieron en su momento el láser o el ordenador personal.
Estos investigadores de la UC3M lideran una de las líneas de investigación del proyecto QUITEMAD (QUantum Information Technologies MADrid), un consorcio científico que reúne a expertos en Información Cuántica de la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad Politécnica de Madrid y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, con el apoyo de diversas empresas nacionales e internacionales y la financiación de la Comunidad de Madrid y el Fondo Social Europeo. ”Estamos trabajando en colaboración con otros miembros de QUITEMAD en el desarrollo de técnicas provenientes del mundo de las telecomunicaciones para su uso en tomografía cuántica y en particular nos gustaría desarrollar un análogo de las técnicas de muestreo ("sampling") tan útiles en el dominio de las telecomunicaciones para el análisis de cierta clase de estados cuánticos”, revela el profesor Ibort.
QUITEMAD tiene cinco objetivos científicos concretos: criptografía cuántica, computación cuántica, control cuántico y tomografía, correlaciones cuánticas y simulación cuántica. Estas cinco líneas de investigación tienen aplicaciones científicas y tecnológicas relevantes, que van desde la implementación de criptografía cuántica para el sector industrial hasta el desarrollo y la puesta en funcionamiento de nuevas técnicas de computación e información cuánticas, incluyendo su realización experimental en colaboración con laboratorios nacionales e internacionales. Además de los objetivos científicos, el proyecto contempla objetivos estratégicos como formar en las tecnologías de la información cuántica a nuevos equipos que puedan abordar con éxito los retos futuros de universidades y empresas, con la finalidad de dotar a Madrid de un estatus de excelencia y vanguardia en el ámbito europeo y mundial.
Más información en la Oficina de Información Científica de la Universidad Carlos III de Madrid
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