La celda de teleportación cuántica de energía

Por qué lo sugiere la biblioteca

Quédate con la contabilidad: la medición paga, el cable lleva solo el resultado, y el extremo receptor no puede recoger más de lo que se pagó. Mueve el modelo y mira dónde se detiene ese extremo.

El libro de cuentas de la teleportación cuántica de energía

Dos celdas ocupan el estado fundamental entrelazado de un sistema pequeño. Alice mide la suya y su aparato lo paga, porque una operación local sobre un estado fundamental solo puede subirlo. Un bit clásico cruza hasta Bob sin superar la velocidad de la luz, y la operación que ese bit selecciona permite a su aparato recoger la energía que ya estaba a su lado como fluctuación suprimida. Deje el libro abierto mientras mueve el modelo y observe lo único que nunca ocurre: que salga más de lo que entró.

Qué mirar

El libro de cuentas de dos celdasEnergía por celda al añadir celdas. Ilustrativo — no son datos

• Pagado en la medida
• Techo: nunca más de lo pagado

Lectura

Parámetro h del modelo

1,5

Parámetro k del modelo

1,0

Volver a los parámetros publicados

Pagado en la medida:

1,25

Cruza un bit clásico:

1

Techo: nunca más de lo pagado:

1,25

Entregado entre gastado:

1,00

Lectura: Pagado en la medida: 1,25 en la unidad de energía del modelo. Cruza un bit clásico. Techo: nunca más de lo pagado: 1,25.

Con h igual a 1,5 y k igual a 1 en ibmq jakarta, el término de acoplamiento en el extremo de Bob marca menos 0,1079, alrededor del 76 por ciento del valor exacto, y resulta negativo en las seis máquinas de IBM utilizadas. Esa lectura negativa es toda la observación: la energía local ha bajado por debajo del nivel del estado fundamental.

La transferencia le gana a la dinámica del propio sistema. Alice informa en unos diez nanosegundos frente a un tiempo de acoplamiento del orden de cien, así que Bob tiene su energía antes de que la cadena hubiera podido llevarle nada.

La repetición independiente usó tres núcleos de carbono 13 en ácido crotónico trans en un espectrómetro de 700 megahercios a temperatura ambiente, y duró catorce milisegundos frente a un acoplamiento entre espines de 1,16 hercios: mucho más rápido de lo que la energía tardaría en cruzar la molécula.

A distancia, el protocolo en el vacío queda acotado por uno partido por doce pi por la separación, porque la región por debajo del vacío en el extremo de Bob necesita energía positiva cerca que la sostenga. Coloque un estado de vacío comprimido en el hueco y ese sostén viene del propio hueco, y la caída desaparece.

Invierta la misma maquinaria y mete en una sola celda más energía de la que permite una parte igual del total: la mitad de almacenamiento de esta misma arquitectura.

El protocolo está en la literatura desde 2008 y ya se ha ejecutado en cúbits superconductores y en espines nucleares, midiendo en ambos casos que la energía en el extremo receptor baja por debajo del nivel del estado fundamental.

La medida que lo resolvería: energía entregada por celda receptora y energía total gastada por celda receptora, ambas frente al número de celdas, en equipos que ya existen. El primer peldaño no cuesta más que entrar en una cuenta de un ordenador cuántico público.

Las fichas que lee este instrumento

• Hotta, el protocolo en cadenas de espines con el que empezó todo (2008) (en inglés)
• Hotta, la información de la medida como llave de la energía del vacío local (2008) (en inglés)
• Hotta, la revisión introductoria del protocolo (2011) (en inglés)
• Hotta, Matsumoto y Yusa, la versión sin límite de distancia (2014) (en inglés)
• Frey y colegas, los límites exactos de la extracción local de energía (2019) (en inglés)
• Ikeda, la demostración en equipo superconductor (2023)
• Rodríguez-Briones y colegas, el experimento con espines nucleares (2023)
• Hotta e Ikeda, el protocolo al revés como batería cuántica (2025)

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El protocolo de Masahiro Hotta saca energía de un parche de campo que no tiene ninguna, usando una medición aquí, un mensaje clásico, y una operación condicionada allá (Quantum measurement information as a key to energy extraction from local vacuums, 2008). Kazuki Ikeda lo corrió en seis máquinas de IBM, una de ellas de acceso público gratuito, y midió la energía local caer por debajo del nivel del estado fundamental (Demonstration of Quantum Energy Teleportation on Superconducting Quantum Hardware, 2023). Nayeli Rodríguez-Briones y sus colegas lo hicieron sobre tres núcleos de carbono en una molécula de ácido crotónico en catorce milisegundos, mucho más rápido de lo que la energía podría haber cruzado la molécula (Experimental Activation of Strong Local Passive States with Quantum Information, 2023). El límite exacto de lo que pueden hacer las operaciones puramente locales — y el hecho de que los mensajes clásicos reabren la puerta — se traza en Fundamental Limitations to Local Energy Extraction in Quantum Systems (2019), y el límite de distancia que mantenía el protocolo a escala milimétrica se elimina poniendo vacío comprimido en el hueco (Quantum energy teleportation without a limit of distance, 2014).

El experimento o la construcción

Empieza en un ordenador cuántico público: el circuito tiene seis puertas de profundidad y correrlo es gratis. Después construye la versión física — una cadena de qubits superconductores, o la versión de resonancia magnética nuclear en un espectrómetro de sobremesa — y conviértelo en una pregunta de ingeniería en vez de una demostración: pon muchas celdas en paralelo, mide la energía entregada por celda, y mide la energía total gastada en medición, control y el canal clásico. La medición que zanjaría el caso es la razón entre la energía entregada en el extremo receptor y la energía total gastada en todo el aparato, en función del número de celdas. Nadie espera que esa razón supere uno; lo que nadie ha publicado es cómo escala, y el escalado es toda la pregunta de ingeniería. Un resultado complementario muestra el mismo protocolo corrido al revés metiendo más energía en una celda de una batería cuántica de la que permite la cuota clásica (Exceeding the maximum classical energy density in fully charged quantum batteries, 2025), que es la mitad de almacenamiento de la misma arquitectura.