El entrelazamiento cuántico sigue siendo uno de los campos de estudio más desafiantes para los físicos modernos. Descrito por Einstein como "acción espeluznante a distancia", los científicos han buscado reconciliar cómo este aspecto de la mecánica cuántica puede coexistir con la mecánica clásica. Esencialmente, el hecho de que dos partículas puedan conectarse a grandes distancias viola las reglas de localidad y realismo.
Formalmente, esto es una violación de Ineqaulity de Bell, una teoría que se ha utilizado durante décadas para mostrar que la localidad y el realismo son válidos a pesar de ser inconsistentes con la mecánica cuántica. Sin embargo, en un estudio reciente, un equipo de investigadores de la Universidad Ludwig-Maximilian (LMU) y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Múnich realizaron pruebas que una vez más violan la Desigualdad de Bell y prueban la existencia de enredos.
Su estudio, titulado "Prueba de campana preparada para eventos con átomos enredados que cierran simultáneamente la detección y lagunas de la localidad", se publicó recientemente en el Cartas de revisión física. Dirigido por Wenjamin Rosenfeld, físico de la LMU y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, el equipo buscó probar la desigualdad de Bell enredando dos partículas a la distancia.
La desigualdad de Bell (llamada así por el físico irlandés John Bell, quien la propuso en 1964) esencialmente establece que las propiedades de los objetos existen independientemente de ser observadas (realismo), y que ninguna información o influencia física puede propagarse más rápido que la velocidad de la luz (localidad). Estas reglas describen perfectamente la realidad que los seres humanos experimentamos a diario, donde las cosas están enraizadas en un espacio y tiempo particulares y existen independientemente de un observador.
Sin embargo, a nivel cuántico, las cosas no parecen seguir estas reglas. No solo se pueden conectar partículas de manera no local a grandes distancias (es decir, enredos), sino que las propiedades de estas partículas no se pueden definir hasta que se miden. Y si bien todos los experimentos han confirmado que las predicciones de la mecánica cuántica son correctas, algunos científicos han continuado argumentando que existen lagunas que permiten el realismo local.
Para abordar esto, el equipo de Munich realizó un experimento utilizando dos laboratorios en LMU. Mientras que el primer laboratorio estaba ubicado en el sótano del departamento de física, el segundo estaba ubicado en el sótano del departamento de economía, aproximadamente a 400 metros de distancia. En ambos laboratorios, los equipos capturaron un solo átomo de rubidio en una trampa tópica y luego comenzaron a excitarlos hasta que liberaron un solo fotón.
Como explicó el Dr. Wenjamin Rosenfeld en un comunicado de prensa del Instituto Max Planck:
“Nuestras dos estaciones de observación funcionan de manera independiente y están equipadas con sus propios sistemas de control y láser. Debido a la distancia de 400 metros entre los laboratorios, la comunicación de uno a otro tomaría 1328 nanosegundos, que es mucho más que la duración del proceso de medición. Por lo tanto, no se puede utilizar información sobre la medición en un laboratorio en el otro laboratorio. Así es como cerramos la escapatoria local ".
Una vez que los dos átomos de rubidio se excitaron hasta el punto de liberar un fotón, los estados de espín de los átomos de rubidio y los estados de polarización de los fotones se enredaron efectivamente. Luego, los fotones se unieron en fibras ópticas y se guiaron a una configuración donde fueron llevados a la interferencia. Después de realizar una medición durante ocho días, los científicos pudieron recolectar alrededor de 10,000 eventos para verificar si hay signos de enredos.
Esto habría sido indicado por los giros de los dos átomos de rubidio atrapados, que estarían apuntando en la misma dirección (o en la dirección opuesta, dependiendo del tipo de enredo). Lo que el equipo de Munich descubrió fue que, para la gran mayoría de los eventos, los átomos estaban en el mismo estado (o en el estado opuesto), y que solo había seis desviaciones consistentes con la desigualdad de Bell.
Estos resultados también fueron estadísticamente más significativos que los obtenidos por un equipo de físicos holandeses en 2015. En aras de ese estudio, el equipo holandés realizó experimentos utilizando electrones en diamantes en laboratorios que estaban a 1.3 km de distancia. Al final, sus resultados (y otras pruebas recientes de la desigualdad de Bell) demostraron que el enredo cuántico es real, cerrando efectivamente la brecha del realismo local.
Como explicó Wenjamin Rosenfeld, las pruebas realizadas por su equipo también fueron más allá de estos otros experimentos al abordar otro problema importante. "Pudimos determinar el estado de rotación de los átomos muy rápido y muy eficiente", dijo. "De este modo cerramos una segunda laguna potencial: la suposición de que la violación observada es causada por una muestra incompleta de pares de átomos detectados".
Al obtener pruebas de la violación de la desigualdad de Bell, los científicos no solo están ayudando a resolver una incongruencia duradera entre la física clásica y la física cuántica. También están abriendo la puerta a algunas posibilidades emocionantes. Por ejemplo, durante años, los científicos han anticipado el desarrollo de procesadores cuánticos, que se basan en enredos para simular los ceros y los del código binario.
Las computadoras que dependen de la mecánica cuántica serían exponencialmente más rápidas que los microprocesadores convencionales y marcarían el comienzo de una nueva era de investigación y desarrollo. Se han propuesto los mismos principios para la ciberseguridad, donde el cifrado cuántico se usaría para cifrar la información, haciéndola invulnerable para los piratas informáticos que confían en las computadoras convencionales.
Por último, pero no menos importante, está el concepto de comunicaciones de entrelazamiento cuántico, un método que nos permitiría transmitir información más rápido que la velocidad de la luz. ¡Imagine las posibilidades de viajes espaciales y exploración si ya no estamos atados por los límites de la comunicación relativista!
Einstein no se equivocó cuando caracterizó los enredos cuánticos como "acción espeluznante". De hecho, muchas de las implicaciones de este fenómeno siguen siendo tan aterradoras como fascinantes para los físicos. Pero cuanto más nos acercamos a entenderlo, más cerca estaremos de desarrollar una comprensión de cómo todas las fuerzas físicas conocidas del Universo se unen, también conocido como. ¡Una teoría de todo!
