Investigadores de las universidades de Kioto y Hiroshima han logrado medir por primera vez un estado W de entrelazamiento cuántico en tres fotones, superando un reto experimental que duró más de 25 años y abriendo nuevas puertas para las redes de comunicación ultraseguras.
Superación del bloqueo experimental tras más de dos décadas
Durante más de veinticinco años, el estudio del entrelazamiento cuántico multipartito ha estado dominado por los estados Greenberger-Horne-Zeilinger, conocidos según ScienceAlert como la «vainilla» o el punto de partida fundamental de dichos sistemas. Mientras que los investigadores a menudo describieron los estados GHZ como la base clásica, los físicos finalmente reportaron una nueva técnica publicada en septiembre de 2025 en la revista Science Advances para realizar mediciones directas sobre los estados W, calificados por ScienceAlert como el «chocolate con trocitos» debido a su mayor complejidad. La dificultad histórica radicaba en la complejidad para distinguir estas configuraciones sin recurrir al laborioso proceso de la tomografía cuántica tradicional.
El método convencional funciona de manera análoga a la tomografía computarizada por rayos X —que revela los secretos esqueléticos del cuerpo humano— o al armado de un rompecabezas complejo, exigiendo recopilar miles de mediciones independientes debido a que cada lectura destruye el frágil estado cuántico analizado y al crecimiento exponencial de los datos necesarios al sumar fotones. Como se detalla en el estudio, los científicos desarrollaron un acceso directo mediante mediciones entrelazadas de un solo disparo que logran determinar todo el sistema en un único paso operativo.
Funcionamiento del circuito óptico basado en simetría cíclica
Para ejecutar esta medición de un solo disparo, el equipo de investigación construyó un dispositivo de circuito óptico de transformada discreta de Fourier de confección propia que operó como un interferómetro avanzado de alta estabilidad capaz de funcionar durante largos períodos sin control activo. Los especialistas inyectaron tres fotones individuales con estados de polarización cuidadosamente seleccionados en el interior del circuito, permitiendo que las trayectorias se dividieran y volvieran a chocar entre sí para estudiar cómo los picos y valles de sus funciones de onda se combinaban o se cancelaban mutuamente.
Esta estrategia aprovecha una propiedad matemática distintiva de los estados W conocida como simetría de desplazamiento cíclico, que funciona de forma similar a una huella basada en la simetría de las propiedades cuánticas. La estructura descriptiva de estos sistemas permanece inalterada cuando los fotones individuales se desplazan de forma cíclica, de manera comparable a un grupo de personas sentadas en círculo alrededor de una fogata que de pronto se levantan y se desplazan un asiento hacia la izquierda.
«Más de 25 años después de la propuesta inicial relativa a la medición entrelazada para los estados GHZ, por fin hemos obtenido también la medición entrelazada para el estado W, con una demostración experimental genuina para estados W de 3 fotones»,
Shigeki Takeuchi, investigador de información cuántica
Fidelidad de discriminación y tolerancia a la pérdida de partículas
Durante las pruebas de laboratorio, el dispositivo demostró una precisión notable al clasificar las distintas configuraciones de los fotones. El equipo reportó una fidelidad media de discriminación de 87,1 % (concretamente expresada como un valor de 0,871 ± 0,039), superando holgadamente el umbral matemático de 66,7 % requerido para validar fehacientemente la medición entrelazada de tres partículas.
La diferencia fundamental entre las arquitecturas analizadas radica en su resiliencia ante fallas operativas. En los estados tradicionales, la pérdida de una sola partícula destruye instantáneamente la conexión cuántica; por el contrario, los estados W actúan como una red de seguridad natural análoga a la redundancia en la ingeniería macroscópica, ya que si un fotón se pierde, las partículas restantes retienen firmemente su estado entrelazado útil.
Los autores del trabajo atribuyen el margen faltante hasta el diez por ciento ideal a imperfecciones menores en la preparación de fotones y en la configuración de la medición física. Como siguiente paso lógico, el grupo planea desarrollar circuitos fotónicos cuánticos en un chip para escalar la tecnología hacia sistemas más complejos orientados a la teleportación cuántica, el intercambio de entrelazamiento y las redes de comunicación del futuro.
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