Teleportación cuántica

La teleportación cuántica es un proceso en el cuál se transmite información cuántica de una posición a otra suficientemente alejada (ya que se tendrán estados entrelazados en ambas localizaciones) mediante un canal clásico. Debido a que se produce un intercambio de información mediante un canal clásico, este intercambio no puede ir más rápido que la velocidad de la luz.

La información cuántica que se transmite es lo que llamamos qubit (o cúbit), que no es más que el análogo cuántico del bit. Un bit es, en resumidas cuentas, un sistema que puede existir en dos estados distintos, por ejemplo, para representar 0 y 1. Entonces, un qubit será un sistema cuántico de dos estados.

El término de teleportación cuántica fue acuñado por el físico Charles Bennett, en su artículo de 1993 juntos con sus colegas G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres y W. K. Wootters[5]​.

Realización

El objetivo de esta técnica es transmitir un qubit entre Alice (emisora) y Bob (receptor) mediante el envío de dos bits clásicos. Previamente, Alice y Bob deberán compartir un estado entrelazado (entangled). Para simplificar el proceso, el estado que comparten suele ser uno de los estados de la base de Bell. Los cuatro estados de Bell son:

Por facilidad, se denotará a los estados de las siguientes formas

siendo las tres equivalentes entre sí, recordando siempre que el primer qubit pertenecerá a Alice (o el sistema A) y el segundo a Bob (o sistema B).

Una vez elegido el estado de Bell que compartirán, se separarán una distancia tal que no pueda haber ninguna influencia entre ambos sistemas. Pongamos, por ejemplo, que han escogido el estado . El objetivo ahora es transmitir un estado (o qubit) que alguien le da a Alice, llamando a ese estado , a Bob. De este estado ni Alice ni Bob conocen los valores de o (únicamente saben que, como es obvio, el estado debe estar normalizado). Como este estado lo tiene Alice, ella tendrá tanto el qubit que tenía entrelazado con Bob como este qubit. Así, se tendrán en total tres qubits, en el que el primero pertenece a Alice y procede del estado , el segundo también pertenece a Alice y es el que formaba parte del estado compartido , y el tercero pertenecerá a Bob y forma parte del estado compartido. El estado inicial del sistema será[6]

Recordar antes de empezar el procedimiento que el objetivo es teletransportar el estado transmitiendo del sistema A al B solo dos bits clásicos.

Primer paso: Puerta CNOT

Lo primero que se le hará a este estado inicial será aplicarle una puerta CNOT a los dos qubits de Alice. El fundamento de una puerta CNOT es que un qubit nos sirva de control mientras que otro sea un objetivo (target). El hecho de aplicar una puerta CNOT al estado inicial hará que los estados y (de este estado solo se entrelazará con el qubit de Alice) se entrelacen. El aplicar una puerta CNOT se puede ver como aplicar un operador a los estados, tal que la matriz con la que podemos representar a este operador sea de la forma

Vamos a ver qué significa aplicar este operador. Si se tiene un estado de dos qubits , donde a y b pueden ser 0 o 1, el operador CNOT hará que si a=0, b no cambiará de valor, pero si a=1, b cambiará al valor contrario. Es decir,

Como se ha dicho, se aplicará el operador CNOT a los dos qubits de Alice, siendo el qubit de el qubit de control y el qubit de Alice del estado el qubit objetivo. Por lo tanto se obtendrá lo siguiente[6]

donde lo único que se ha variado con respecto del estado es el segundo qubit de A (el correspondiente al estado ).

Segundo paso: Operador de Hadamard

A continuación Alice aplicará una puerta u operador de Hadamard. El operador de Hadamard representa una rotación de ángulo sobre el eje , y está representado en forma matricial de la siguiente manera

o lo que es lo mismo

Donde y son las componentes de una base denominada base de Hadamard, muy utilizada en mecánica cuántica. Entonces Alice aplicará este operador sobre su primer qubit (recordar que es el que pertenecía originalmente al estado ), quedándole lo siguiente

y si se opera y agrupa en qubits de Alice y qubits de Bob (recordar que, según el orden en el que aparecen, los dos primeros qubits son de Alice y el tercero de Bob), se obtendrá lo siguiente[6]

Último paso: Medida y transmisión

Como se puede ver, el estado está agrupado en qubits de Alice y, para cada posible combinación de ellos, el estado en el que estará el qubit de Bob. Por lo tanto, ahora Alice medirá sobre sus dos qubits, llamando al resultado de la medida , cuyos valores pueden ser o o . Al medir, el estado colapsará a una de sus cuatro opciones, llamando al estado resultante , que es el estado que, tras medir Alice, tiene Bob. Pero hay que recordar que lo que se quiere es que Bob tenga el estado , por lo que se tendrá que aplicar operadores () al estado para obtener .

Estos operadores no son más que las matrices de Pauli. Vamos a recordar antes como actúan estos operadores sobre los estados y

Al medir Alice , le enviará a Bob por un canal clásico estos dos bits. Al recibirlos Bob, él ya sabrá qué operación tiene que hacer para obtener el estado . En la siguiente tabla se tiene un esquema de las posibles opciones y las operaciones a aplicar[6]

Medida de Alice Estado de Bob Operación a aplicar Resultado
00
01
10
11
Esquema de la teleportación cuántica, circuito cuántico.

Entonces, tras recibir Bob los dos bits clásicos y aplicar las operaciones pertinentes, ya tiene el estado que se quería enviar desde un principio, . Ya se ha teleportado un estado. Un esquema de lo que se ha realizado se puede ver en la figura de la derecha, que se denomina circuito cuántico. En el esquema identificamos como el entrelazamiento (cuando aplicamos la puerta CNOT) entre los estados y a la línea de unión al principio del esquema. La H se identifica con la aplicación del operador de Hadamard. Los segmentos de curva con una línea cruzada identifica las medidas de Alice. Por último, la expresión que se ve de la forma no es más que las operaciones que se realizan en la tabla anterior, identificando con y con [6]​.

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