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Artículo publicado por Adrian Cho el 28 de agosto de 2015 en Science News

Es uno de los conceptos más extraños en el ya de por sí extraño campo de la física cuántica: medir la condición, o estado, de una partícula cuántica como un electrón puede cambiar instantáneamente el estado de otro electrón, incluso si se encuentra a años luz de distancia. Esta idea molestaba a Albert Einstein y otros, dado que sugería que algo puede viajar más rápidamente que la luz, y que la realidad, de algún modo, está determinada por las medidas que realizamos. Pero ahora, un equipo de experimentadores dice que ha cerrado el caso para este concepto, sellando una de las fisuras de anteriores demostraciones.

Entrelazamiento cuántico

Entrelazamiento cuántico

“Éste es un artículo de referencia en la física cuántica”, expresa Howard Wiseman, físico de la Universidad Griffith en Nathan, Australia, que no estuvo implicado en el trabajo. “A partir de ahora no puede quedar ninguna duda razonable de que el mundo físico es profundamente diferente de nuestras intuiciones cotidianas”. Christopher Ferrie, físico de la Universidad de Sídney en Australia, señala que para muchos físicos, el problema ya se zanjó hace tiempo.”Si haces una encuesta entre los físicos de mi generación, o posteriores, no se inmutarán por ello”, comenta. El verdadero avance, especifica, está en la apertura del camino para las tecnologías de comunicación cuántica ultraseguras.

El experimento lo realizaron Ronald Hanson, físico de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, y sus colegas. Hanson declinó debatir sobre el artículo, que se publicó en el servidor de arXiv, dado que aún está bajo revisión por una revista que aún no se ha hecho pública.

El experimento implica un concepto conocido como entrelazamiento. Imagina un electrón. Al igual que una peonza, puede girar en un sentido (arriba) o en otro (abajo). Extrañamente, la teoría cuántica dice que el electrón puede también girar en los dos sentidos a la vez, aunque si lo mides, el estado cuántico “colapsará” de modo que tendrás al electrón girando en uno u otro sentido con igual probabilidad. Cómo se realiza esta medida es importante. De acuerdo con la teoría cuántica, no se puede simplemente leer el espín directamente; tienes que usar un analizador que puede fijarse, como el dial de una radio, hacia una orientación particular para ver si el electrón está girando en un sentido o en el contrario. En el caso del giro en ambos sentidos, fijar el analizador verticalmente lleva al electrón a colapsar en el resultado 50-50.

Aún más extraño es que dos electrones pueden entrelazarse de tal modo que el espín de cada electrón es totalmente desconocido, pero los dos están completamente vinculados y correlacionados entre sí. Supón que Alice y Bob comparten dos electrones entrelazados y cada uno tiene un analizador configurado verticalmente. Si Alice mide su electrón y encuentra que gira hacia arriba, sabrá instantáneamente que el de Bob gira hacia abajo, incluso si Bob está en otra galaxia. Esta “acción fantasmal a distancia” fue una molestia para Einstein, dado que sugiere que la onda cuántica que describe el colapso de los electrones viaja a una velocidad superior a la de la luz. También sugiere que la “realidad” del estado de giro de un electrón, la que puede conocerse del mismo, no está determinada hasta que se mide el electrón y la onda cuántica colapsa.

Einstein encontró esta idea difícil de aceptar. En lugar de esto, defendía que la mecánica cuántica estaba incompleta; básicamente, que existían “variables ocultas” codificadas en cada electrón pero fuera del ámbito de la teoría, que determinaban el resultado de la medida de Bob. Este concepto obvia el colapso a una velocidad superior a la de la luz, debido a que el factor de determinación viaja junto con el electrón de Bob. También se burla de la idea de que la medida revela algún aspecto del mundo que existe de manera independiente al mismo, de la misma forma que asumimos que existe el color de una pelota de tenis antes de mirarla.

Sin embargo, en 1964, el teórico británico John Bell encontró una forma de poner a prueba la diferencia entre el colapso de la onda cuántica y las variables ocultas. De acuerdo con la teoría cuántica, si Alice y Bob inclinan sus analizadores en ángulos diferentes, deberían dejar de ver esa correlación perfecta en sus medidas. Por ejemplo, supón que Alice mantiene su analizador vertical, y Bob inclina el suyo 45º. Entonces, si Alice halla que su electrón gira hacia arriba, la probabilidad de que Bob encuentre que su electrón gira hacia abajo, definida su nueva orientación, es de sólo el 71%. Bell imaginó que Alice y Bob variaron repetidamente la orientación de sus analizadores. Demostró matemáticamente que las variables ocultas generarían correlaciones más débiles que un cierto límite, definido en una fórmula conocida como desigualdad de Bell. El colapso de las ondas cuánticas podría arrojar correlaciones superiores. La fórmula ofreció una prueba fiable para determinar si las variables ocultas estaban realmente ahí.

Bell también explicó que el colapso de las ondas a velocidad superior a la de la luz no violaría necesariamente la prohibición de la relatividad respecto al viaje supralumínico. Dado que Alice no puede controlar el resultado de su medida, no puede usarla para enviar información a Bob más rápidamente que la luz. Ella y Bob simplemente pueden confirmar la correlación después del hecho. Esta es actualmente la interpretación estándar de la relatividad.

En la década de 1970, los experimentadores empezaron a tomar medidas diseñadas para ver si la desigualdad de Bell se mantenía. Consistentemente encontraron correlaciones más fuertes de lo que permitían las variables ocultas. Esos resultados, en general, convencieron a los físicos de que Einstein estaba equivocado. O las ondas cuánticas deben colapsar más rápidamente que la luz, o los resultados de las medidas no podían estar predeterminados por variables ocultas: hasta que no se realiza una medida sobre un electrón que gira en ambos sentidos, literalmente gira en ambos sentidos.

Sin embargo, realizar una prueba irrefutable del teorema de Bell es complejo, y en los últimos años los físicos se han preocupado por los “resquicios” que permitirían que algún otro efecto aparte del colapso instantáneo de la onda cuántica distorsionase los resultados. Ahora, Hanson y otros 18 colegas afirman hacer realizado la primera prueba sin fisuras del teorema de Bell.

Para poner a pruebas la idea de Bell, los físicos deben asegurarse de que no hay otra influencia aparte de las propias medidas que pueden viajar entre los electrones en el tiempo que se tarda en realizar las medidas. Esto es un toda una hazaña, dado que la luz viaja a 299 792 kilómetros por segundo. Hanson y sus colegas separaron las dos estaciones con sus electrones 1,28 kilómetros en el campus de Delft. Esto les daba 4,27 microsegundos para realizar ambas medidas antes de que una señal a la velocidad de la luz llegase de una estación a la otra.

Los investigadores aún tenían que entrelazar los electrones separados. Para hacer esto, primero entrelazaron cada electrón con el estado de un fotón que luego enviaron a través de una fibra óptica a una tercera estación entre las dos primeras. Sólo si los dos fotones llegaban simultáneamente e interferían entre sí de la forma adecuada, los electrones quedaban entrelazados a través de un proceso conocido como transferencia de entrelazamiento. Menos de uno de cada 150 millones de pares de fotones registraron la señal de interferencia correcta. Aun así, los investigadores pudieron empezar las medidas sobre los electrones antes del encuentro entre los fotones, y revisar posteriormente los datos para hallar los intentos que funcionaron. En el borrador informan de 245 ensayos con éxito tras 22 horas de toma de datos.

Finalmente, los físicos tienen que cerrar la fisura que se abre si no pueden leer fiablemente el estado de los electrones. Un error en dicha medida podría oscurecer las verdaderas correlaciones entre los espines de los electrones. Para superar este obstáculo, el equipo de Hanson usó electrones individuales atrapados en defectos de tamaño atómico en diamantes enfriados casi al cero absoluto. En estos defectos, los electrones pueden mantener fácilmente sus delicados espines y pueden ser manipulados con microondas y luz. Los físicos midieron el espín de cada electrón con una eficacia superior al 95%.

Con ambas fisuras cerradas, los investigadores ven una clara violación de la desigualdad de Bell, torpedeando las variables ocultas de Einstein y reivindicando el colapso de la onda cuántica. “La única preocupación significativa que se puede tener sobre este artículo es el pequeño conjunto de datos, lo que significa que el resultado no está tan asentado como idealmente nos gustaría”, comenta Wiseman. “Pero estoy seguro de que esto se rectificará pronto”.

Siempre es posible inventarse nuevos y alocados resquicios, señala Ferrie. Pero el experimento cierra los que podrían usarse para atacar ciertas tecnologías cuánticas en desarrollo, tales como los esquemas usados para entrelazar partículas para distribuir de forma segura claves para codificar mensajes secretos en lo que se conoce como “distribución de claves cuánticas independientes del dispositivo”. “Es un hito técnico enorme” dice Ferrie, “y un requisito previo para muchas futuras tecnologías cuánticas, que estamos seguros de que permitirán el estudio y una final comprensión de una nueva física”.

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