MADRID, 6 Ago. (EUROPA PRESS) -
Físicos teóricos han utilizado la teoría de la efectividad térmica para demostrar que el entrelazamiento cuántico sigue reglas universales en todas las dimensiones.
"Este estudio es el primer ejemplo de la aplicación de la teoría de la efectividad térmica a la información cuántica. Los resultados demuestran la utilidad de este enfoque, y esperamos seguir desarrollándolo para comprender mejor las estructuras del entrelazamiento cuántico", afirmó en un comunicado Yuya Kusuki, autor principal y profesor asociado del Instituto de Estudios Avanzados de la Universidad de Kyushu. Su estudio se publicó en línea en Physical Review Letters.
En física clásica, dos partículas que se encuentran muy separadas se comportan de forma independiente. Sin embargo, en física cuántica, dos partículas pueden presentar fuertes correlaciones independientemente de la distancia entre ellas. Esta correlación cuántica se conoce como entrelazamiento cuántico.
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno fundamental que subyace a tecnologías cuánticas como la computación y la comunicación cuánticas, y comprender su estructura es importante tanto teórica como prácticamente.
Una de las medidas clave utilizadas para cuantificar el entrelazamiento cuántico es la entropía de Rényi. La entropía de Rényi cuantifica la complejidad de los estados cuánticos y la distribución de la información, y desempeña un papel crucial en la clasificación de estados cuánticos y en la evaluación de la viabilidad de simular sistemas cuánticos de muchos cuerpos.
Además, la entropía de Rényi constituye una herramienta poderosa en las investigaciones teóricas del problema de la pérdida de información de los agujeros negros y aparece con frecuencia en el contexto de la gravedad cuántica.
Sin embargo, descubrir la estructura del entrelazamiento cuántico supone un reto tanto para la física teórica como para la teoría de la información cuántica. No obstante, la mayoría de los estudios realizados hasta la fecha se han limitado a sistemas de (1+1) dimensiones, es decir, una dimensión espacial más una dimensión temporal. En dimensiones superiores, analizar la estructura del entrelazamiento cuántico se vuelve significativamente más difícil.
Un grupo de investigación dirigido por Kusuki, el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo de la Universidad de Tokio (Kavli IPMU, WPI) y el profesor Hirosi Ooguri del Instituto Tecnológico de California (Caltech), y el investigador de Caltech Sridip Pal, ha demostrado las características universales de las estructuras de entrelazamiento cuántico en dimensiones superiores mediante la aplicación de técnicas teóricas desarrolladas en el campo de la física de partículas a la teoría de la información cuántica.
El equipo de investigación se centró en la teoría de la efectividad térmica, que recientemente ha propiciado importantes avances en el análisis de teorías de dimensiones superiores en física de partículas. Se trata de un marco teórico diseñado para extraer el comportamiento universal de sistemas complejos, basado en la idea de que las cantidades observables a menudo pueden caracterizarse con solo un pequeño número de parámetros.
Al introducir este marco en la teoría de la información cuántica, el equipo analizó el comportamiento de la entropía de Rényi en sistemas cuánticos de dimensiones superiores.
UNOS POCOS PARÁMETROS
La entropía de Rényi se caracteriza por un parámetro conocido como número de réplica. El equipo demostró que, en el régimen de pequeño número de réplicas, el comportamiento de la entropía de Rényi está gobernado universalmente por tan solo unos pocos parámetros, como la energía de Casimir, una magnitud física clave en la teoría.
Además, al aprovechar este resultado, el equipo clarificó el comportamiento del espectro de entrelazamiento en la región donde sus autovalores son grandes. También investigaron cómo cambia el comportamiento universal según el método utilizado para evaluar la entropía de Rényi.
Estos hallazgos son válidos no solo en dimensiones (1+1), sino también en dimensiones arbitrarias del espacio-tiempo, lo que supone un avance significativo en la comprensión de las estructuras de entrelazamiento cuántico en dimensiones superiores.
El siguiente paso para los investigadores es generalizar y refinar aún más este marco. Este trabajo representa la primera demostración de que la teoría de la efectividad térmica puede aplicarse eficazmente al estudio de las estructuras de entrelazamiento cuántico en dimensiones superiores, y aún existe un amplio margen para seguir desarrollando este enfoque.
Al mejorar la teoría de la efectividad térmica teniendo en cuenta las aplicaciones de la información cuántica, los investigadores podrían obtener una comprensión más profunda de las estructuras de entrelazamiento cuántico en sistemas de dimensiones superiores.
En el ámbito aplicado, los conocimientos teóricos obtenidos a partir de esta investigación podrían conducir a mejoras en los métodos de simulación numérica para sistemas cuánticos de dimensiones superiores, proponer nuevos principios para la clasificación de estados cuánticos de muchos cuerpos y contribuir a una comprensión de la gravedad cuántica basada en la teoría de la información cuántica. Estos avances son prometedores para futuras aplicaciones amplias e impactantes.