Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad de Ferrara ha propuesto un nuevo marco matemático que podría facilitar el desarrollo de sensores, sistemas de comunicación y ordenadores cuánticos más eficientes. El trabajo aborda uno de los principales retos del sector: la dificultad de generar estados cuánticos estables y fácilmente diferenciables, una condición esencial para la transmisión y el procesamiento fiable de información en sistemas cuánticos. En este contexto, los científicos han desarrollado un nuevo enfoque teórico para crear estados cuánticos más distinguibles, un avance que podría mejorar significativamente el rendimiento de futuras tecnologías basadas en la mecánica cuántica.
El problema se suma a las restricciones actuales de muchos dispositivos cuánticos, que suelen mantener su estabilidad solo durante fracciones de segundo y requieren protocolos complejos para identificar sus estados. El nuevo trabajo plantea una vía matemática para diseñar estados con mayor grado de distinguibilidad sin depender únicamente de ajustes experimentales sucesivos.
Un problema clave en la información cuántica
El equipo ha establecido una correspondencia entre estados cuánticos de la luz y variedades algebraicas, una estructura propia del álgebra abstracta. Esta traducción permite reformular el análisis físico como un conjunto de ecuaciones matemáticas abordables.
Según el planteamiento del estudio, el diseño de dispositivos cuánticos útiles exige controlar cuidadosamente los estados en los que se codifica la información. En sistemas clásicos, esa codificación puede realizarse mediante niveles de voltaje o mediante la presencia o ausencia de un pulso de luz. En dispositivos cuánticos, en cambio, puede depender del espín de un átomo individual o del nivel de excitación de un conjunto de electrones.
El trabajo se centra en estados asociados a los niveles de energía de los fotones. Para modificarlos, los investigadores analizan una operación denominada variación fotónica, que puede adoptar dos formas: la adición de fotones, cuando estos se excitan hacia un estado de mayor energía, y la sustracción de fotones, cuando se eliminan del sistema.
Asimismo, estas operaciones transforman estados gaussianos en estados no gaussianos. De acuerdo con el análisis del equipo, los estados no gaussianos resultan especialmente relevantes porque pueden alcanzar mejores condiciones de distinguibilidad. Además, los autores subrayan que algunas de estas configuraciones ya se han producido en laboratorio, lo que las sitúa dentro de un marco experimental más realista que otras propuestas cuánticas todavía incipientes.
Método para diseñar estados distinguibles
La caracterización teórica presentada por el grupo parte de las propiedades matemáticas subyacentes de estos estados. Al identificar que las ecuaciones necesarias para determinar la ortogonalidad son ecuaciones polinómicas, los investigadores han podido aplicar herramientas de geometría algebraica para resolverlas y orientar el diseño de estados no gaussianos ortogonales.
El resultado es un procedimiento que permite definir parámetros concretos para generar estados más distinguibles, en lugar de basarse en pruebas empíricas sucesivas. Los autores sostienen que esos parámetros podrían incorporarse directamente a configuraciones ópticas ya existentes, ya que existen montajes capaces de implementar este tipo de estados fotónicos variados.
Además, el equipo considera que la aplicación experimental del método no requeriría necesariamente tecnologías más avanzadas que las disponibles en la actualidad. La expectativa expresada por los investigadores es que otros grupos puedan probar estas técnicas tras la publicación del estudio y evaluar su rendimiento en sistemas físicos.
Más allá de una configuración concreta, el enfoque se plantea como una herramienta para abordar problemas generales de diseño de señales cuánticas. La conexión entre ecuaciones algebraicas y comportamiento físico abre una vía para diseñar clases más amplias de estados cuánticos con mayor ortogonalidad, con posibles aplicaciones en sensado y comunicación cuántica.