Los físicos descubren el secreto de la misteriosa entropía de entrelazamiento negativo

Los investigadores han demostrado con éxito la entropía de entrelazamiento negativo utilizando circuitos eléctricos clásicos como sustitutos de sistemas cuánticos complejos, proporcionando un modelo práctico para explorar fenómenos cuánticos exóticos y desarrollar tecnología de información cuántica.

La entropía de entrelazamiento determina el grado de interconexión entre las diferentes partes de un sistema cuántico. Se refiere a la cantidad de información que diferentes partes revelan sobre otras partes y revela conexiones ocultas entre partículas. Este concepto es esencial para el progreso. Computación cuántica Y tecnología de comunicaciones cuánticas.

Para comprender qué significa la entropía de entrelazamiento negativo, primero necesitaremos saber qué son el entrelazamiento y la entropía.

Entrelazamiento y entropía en pocas palabras

Imagina que tienes dos monedas. Normalmente, si lanzas una moneda, no afecta los resultados de lanzar otra moneda. Pero en el mundo cuántico, las partículas pueden “entrelazarse”, es decir, sus estados están vinculados. Si dos monedas están enredadas, la regla del enredo puede ser tal que cuando se lanza una moneda y sale cara, la otra debe salir cruz. Esencialmente, el conocimiento del resultado de uno limita los posibles resultados del otro.

Por otro lado, la entropía es un concepto de la física estadística que mide el caos o la incertidumbre en un sistema. Por ejemplo, una habitación desordenada tiene una alta entropía porque los objetos están dispersos por todas partes y es difícil predecir dónde estará un elemento determinado. Una habitación ordenada tiene baja entropía porque todo está en su lugar, lo que facilita encontrar las cosas.

Entropía de entrelazamiento

Al ensamblar piezas, la «entropía de entrelazamiento» mide cuánta información se pierde sobre una parte del sistema si otra parte del sistema de repente se vuelve inaccesible, es decir, si queda cortada por las llamadas «piezas de entrelazamiento». Intuitivamente, cuanto más entrelazadas están las dos partes, más información se pierde.

Una analogía sencilla para comprender la entropía del entrelazamiento es imaginar un par de calcetines. Metemos un calcetín en un cajón y el otro calcetín en otro cajón. Si los calcetines están «enredados», conocer el color del calcetín en un cajón le indicará inmediatamente de qué color es el calcetín en el otro. Aquí pueden surgir dos situaciones:

• Alta correlación: si los colores de dos calcetines están casi perfectamente correlacionados, conocer el color de un calcetín le brinda información casi perfecta sobre el otro calcetín. En particular, si un calcetín de repente se vuelve inaccesible, también perderás el conocimiento del color del otro calcetín.
• Confusión reducida: si los colores de los calcetines no tienen ninguna relación fundamental, entonces conocer el color de un calcetín no aumenta nuestra certeza sobre el color del otro calcetín. En particular, si un calcetín se vuelve repentinamente inaccesible, no habrá incertidumbre ni entropía en cuanto al color del otro calcetín.

Entropía de entrelazamiento negativa

La mecánica cuántica tradicional sólo se ha ocupado de sistemas conservadores donde las partículas y la energía no se destruyen ni se crean. Sin embargo, surge una física nueva e interesante cuando se elimina esta restricción, en la analogía de los calcetines, donde los calcetines se pueden quitar o agregar al sistema. Estos sistemas se conocen como «sistemas no hermitianos».

En sistemas no hermitianos, el concepto de entrelazamiento debe modificarse, porque también se puede perder información cuando cambia el número de partículas. En particular, la adquisición de calcetines nuevos y su información puede interpretarse como dar una cantidad negativa de información sobre calcetines a otros. Esto conduce a un nuevo concepto, la entropía de entrelazamiento negativo.

Si bien la receta teórica para lograr la entropía de entrelazamiento negativo en un sistema cuántico no hermitiano se ha estudiado durante algunos años, observar el entrelazamiento negativo en experimentos cuánticos es algo que no se puede hacer fácilmente. Esto se debe a los importantes desafíos que supone manipular estados cuánticos complejos de tal manera que ganen o pierdan energía y, al mismo tiempo, medir el alcance de su entrelazamiento.

Estados de correlación excepcionales y entropía de entrelazamiento negativo en circuitos eléctricos.

Reportar en Boletín científicoFísicos de Singapur y China han observado experimentalmente estados esquivos que matemáticamente poseen entropía de entrelazamiento negativa. En lugar de utilizar un sistema cuántico, el equipo de investigación utilizó un circuito eléctrico no cuántico (o clásico) para generar un sistema «caja de arena» matemáticamente idéntico a un sistema con entrelazamiento negativo, pero sin los desafíos asociados con los sistemas cuánticos reales. Estos circuitos eléctricos clásicos se construyen utilizando componentes electrónicos fácilmente disponibles, como resistencias, condensadores y amplificadores operacionales, sin la necesidad de criogenia ultrabaja y láseres de alta precisión necesarios en un sistema cuántico.

“Los estados EB tienen una gran robustez y exhiben firmas mensurables prominentes, lo que facilita enormemente su realización física en redes clásicas relativamente simples, como circuitos eléctricos, sin necesidad de realizar ajustes.

«La pregunta que hemos querido responder durante mucho tiempo es: ¿Puede el comportamiento esotérico de entrelazamiento negativo manifestarse en experimentos de la vida real? En este trabajo, brindamos un ‘sí’ enfático a través del nuevo concepto de condiciones de contorno excepcionales (EB)», dijo el líder del proyecto. Profesor asociado Cheng Hua Li de la Universidad Nacional de Singapur.

«Los estados EB son estados especiales que proporcionan huellas digitales clave para el entrelazamiento negativo», dijo el profesor Haiyu Ming de la Universidad de Xiangtan, coautor de este trabajo. Siempre que el sistema huésped se vuelve demasiado sensible a la decoherencia, pueden surgir estados EB como resultado directo del entrelazamiento negativo.

«Este trabajo propone los circuitos eléctricos clásicos como un nuevo coto de caza para la búsqueda de fenómenos cuánticos exóticos que son difíciles de lograr usando átomos y cristales físicos. Dada su facilidad de fabricación, los circuitos eléctricos pueden proporcionar una caja de arena de bajo costo para diseñar y fabricar prototipos. de dispositivos útiles para la futura tecnología cuántica», afirmó el profesor asistente Yi Sin Ang de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur y coautor de este trabajo.

Demostrar la entropía de entrelazamiento negativo podría tener un profundo impacto en muchas áreas de la física y la ingeniería, especialmente en la tecnología de la información cuántica. En el futuro, los estados del universo ecuatoriano y los circuitos eléctricos podrían usarse para explorar física exótica en dimensiones superiores, inaugurando así un nuevo campo fértil para la interacción triple entre la física topológica no hermitiana y la física del universo ecuatoriano.

Referencia: “Observación experimental de estados extraordinariamente conectados en una red de circuitos clásicos” por Di-Yuan Zhou, Tian Chen, Haiyu Ming, Yi-Sin Ang, Xiangdong Zhang y Chenghua Li, 29 de mayo de 2024, Boletín científico.
doi: 10.1016/j.scib.2024.05.036