El entrelazamiento cuántico permite que varias partículas formen un solo sistema, de manera que sus propiedades no pueden describirse completamente por separado.

Este fenómeno es fundamental para tecnologías como la computación cuántica, las comunicaciones seguras y algunos métodos avanzados de medición y detección.

Pero cuando aumenta el número de partículas entrelazadas, también aumenta muchísimo la dificultad para saber exactamente qué estado cuántico tienen.

Un trabajo publicado en Science Advances consiguió medir experimentalmente un tipo particular de entrelazamiento multipartícula conocido como estado W usando tres fotones.

Los estados W son una forma de entrelazamiento entre varias partículas que tiene una propiedad especialmente útil frente a pérdidas o fallas.

Si desaparece una de las partículas de un estado W, las restantes todavía pueden conservar entrelazamiento y seguir funcionando como un sistema cuántico útil.

Esto los diferencia de otros estados multipartícula conocidos como GHZ, donde perder una sola partícula puede destruir gran parte del entrelazamiento original.

Los físicos ya habían logrado realizar mediciones entrelazadas de estados GHZ, pero hacer algo equivalente con estados W seguía siendo mucho más complicado.

La dificultad estaba relacionada con la forma en que deben distinguirse las diferentes configuraciones posibles sin reconstruir todo el sistema mediante muchas mediciones independientes.

Normalmente se utiliza una técnica llamada tomografía cuántica, que funciona de manera parecida a reconstruir un objeto usando numerosas imágenes tomadas desde perspectivas diferentes.

El problema es que cada medición altera el estado cuántico, por lo que los investigadores necesitan preparar muchas copias prácticamente idénticas del sistema.

Además, el número de mediciones necesarias aumenta rápidamente conforme se incorporan más partículas, haciendo que el procedimiento resulte cada vez menos práctico.

El nuevo experimento evitó parte de ese problema mediante un circuito óptico diseñado para analizar tres fotones entrelazados prácticamente en una sola medición.

Los investigadores enviaron fotones con polarizaciones conocidas a través de un dispositivo que los separaba por diferentes caminos y posteriormente los hacía interferir.

Cuando las ondas asociadas con los fotones se encuentran, pueden reforzarse o cancelarse dependiendo de cómo estén organizadas sus propiedades cuánticas.

El dispositivo aprovechó una característica de los estados W conocida como simetría de desplazamiento cíclico, que funciona como una especie de huella matemática.

En términos sencillos, el estado mantiene una estructura equivalente cuando las posiciones de sus partículas se intercambian siguiendo un determinado patrón circular.

Gracias a esa propiedad, el circuito podía distinguir directamente si los tres fotones estaban organizados en una de las configuraciones W buscadas.

El sistema identificó correctamente esos estados aproximadamente el 87 % de las veces, superando claramente el límite necesario para demostrar que funcionaba.

Los investigadores atribuyen los errores restantes principalmente a imperfecciones al preparar los fotones y a limitaciones del propio sistema experimental utilizado.

La importancia del resultado está en poder realizar mediciones entrelazadas multipartícula de una manera más directa que reconstruyendo completamente el estado mediante tomografía.

Este tipo de mediciones resulta necesario en tareas como teleportación cuántica, intercambio de entrelazamiento y redes capaces de conectar varios sistemas cuánticos.

Por ahora, el experimento utilizó únicamente tres fotones y condiciones de laboratorio cuidadosamente controladas, así que todavía existen importantes retos para ampliarlo.

El siguiente objetivo es integrar este tipo de circuitos ópticos en chips y desarrollar sistemas que puedan manejar estados entrelazados cada vez más grandes.