Recientemente, el grupo de investigación dirigido por el académico Guo Guangcan, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), junto con el grupo de investigación de Liu Biheng, en colaboración con la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China (USTC), la Academia Austriaca de Ciencias y otros colaboradores, ha logrado avances significativos en la detección del entrelazamiento cuántico. El equipo empleó métodos de aprendizaje automático combinados con estrategias de comunicación clásica para lograr una verificación eficiente y económica del entrelazamiento cuántico. Su trabajo, titulado «Ventajas prácticas de la comunicación clásica en la detección del entrelazamiento», se publicó en línea en Physical Review Letters el 25 de septiembre y figura como recomendación del editor en la página principal de la revista.
El entrelazamiento cuántico es un recurso fundamental en la ciencia de la información cuántica y crucial para la realización de tecnologías como la computación cuántica, la comunicación cuántica y las redes cuánticas. Los métodos tradicionales de detección de entrelazamiento requieren la reconstrucción completa del estado mediante tomografía cuántica de estados. Los recursos necesarios aumentan exponencialmente con la dimensionalidad del sistema, lo que dificulta su aplicación a sistemas prácticos de alta dimensión o multicuerpo. Para superar este obstáculo, el equipo de investigación propuso integrar la comunicación clásica en el proceso de detección de entrelazamiento, realizando mediciones dentro de un marco que permite la comunicación clásica unidireccional entre Alice y Bob (1-LOCC). Si bien este marco ofrece ventajas estadísticas teóricas, su implementación experimental es compleja, ya que requiere una estabilidad del sistema y una velocidad de retroalimentación extremadamente altas. Para abordar esto, el equipo empleó métodos de aprendizaje automático, utilizando una red de optimización generativa variacional (VGON) para identificar automáticamente los estados cuánticos más adecuados para 1-LOCC y generar la estrategia de detección óptima. Esto redujo significativamente el tiempo de generación de la estrategia, de dos meses requeridos por los métodos tradicionales a dos horas, proporcionando un modelo de detección preciso para el experimento.
Experimentalmente, el equipo de investigación construyó una plataforma basada en fotones entrelazados tridimensionales (Figura 1). Los resultados de las mediciones de Alice se transmitieron a Bob en tiempo real a través de un canal clásico. Un modulador electroóptico (EOM) controlado por una FPGA permitió una rápida conmutación de la base de medición. Para compensar el retardo entre la transmisión de la señal y la respuesta del dispositivo, se introdujo una fibra óptica de 50 metros de longitud en el extremo de Bob como «almacenamiento cuántico óptico», lo que permitió la medición adaptativa a nivel de fotón único. El experimento alternó entre dos estrategias, operación local (LO) sin comunicación y 1-LOCC, para garantizar condiciones experimentales consistentes, limitando la diferencia en los resultados a la presencia o ausencia de comunicación clásica.

Figura 1. Diagrama de la configuración experimental, incluidos componentes clave como una fuente de luz entrelazada tridimensional, conmutación rápida FPGA-EOM y almacenamiento de retardo corto de fibra óptica de 50 m.
Basándose en las estadísticas de millones de eventos, el equipo de investigación descubrió que el protocolo 1-LOCC redujo significativamente la probabilidad de falsos negativos en la detección de entrelazamiento (Figura 2). Incluso utilizando la estimación optimista más favorable para el protocolo LO como punto de referencia, 1-LOCC mostró una ventaja significativa en la tasa de error, lo que demuestra su superior fiabilidad de detección en entornos ruidosos del mundo real.

Figura 2. Comparación de la probabilidad de falsos negativos p2 con el protocolo LO y el protocolo 1-LOCC (cuadrados rojos y azules). Los resultados muestran que, en el escenario 1-LOCC, el valor p2 medido experimentalmente es significativamente menor que la estimación optimista basada en el protocolo LO (círculo verde), lo que indica que la introducción de la comunicación clásica puede reducir eficazmente la tasa de error de detección.
Esta investigación demuestra sistemáticamente, por primera vez, las ventajas prácticas de la comunicación clásica en la detección del entrelazamiento cuántico, conformando un ciclo de investigación completo de «modelado teórico – aprendizaje automático para generar protocolos – verificación experimental». Este logro no solo proporciona una solución viable para el control en línea de redes cuánticas, sino que también sienta las bases para experimentos cuánticos inteligentes basados en IA.
Xing Wenbo, estudiante de doctorado de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), y Lü Minyu, estudiante de doctorado de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China (UESTC), son los coautores principales del artículo. Hu Xiaomin, profesor distinguido de la USTC, Liu Biheng, investigador asociado, Miguel Navascués, profesor de la Academia Austriaca de Ciencias, y Wang Zizhu, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, son los coautores correspondientes. Esta investigación contó con el apoyo del Programa de Innovación en Ciencia y Tecnología Cuántica, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Anhui, el Programa de Innovación en Ciencia y Tecnología de la Provincia de Anhui y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China.
Enlace del artículo: https://doi.org/10.1103/hlcv-qcnw
Universidad de Ciencia y Tecnología de China News. Traducido al español