Cosmonautas de la autopista, a la manera de los viajeros interplanetarios que observan de lejos el rápido envejecimiento de aquellos que siguen sometidos a las leyes del tiempo terrestre, ¿qué vamos a descubrir al entrar en un ritmo de camellos después de tantos viajes en avión, metro, tren? Julio Cortázar.
Desde Buenos Aires, Argentina

10/11/18 - DJ:

Para probar el entrelazamiento cuántico

T.E.L: 8 min.

Algunos experimentos confirman la "fantasmagórica acción a distancia" rechazada por Einstein.


Hace 12 mil millones de años, partículas veloces de luz salieron de un objeto muy luminoso llamado cuásar y comenzaron su viaje hacia un planeta que todavía no existía. Más de 4 mil millones de años después, otros fotones dejaron otro cuásar para un viaje similar. Mientras se formaba la Tierra y el Sistema Solar, las partículas seguían su viaje. Finalmente, llegaron a un par de telescopios de la Isla Canaria de La Palma, configurados para realizar un experimento que busca saber la verdadera naturaleza de la realidad.
El experimento fue diseñado para estudiar el entrelazamiento cuántico, un fenómeno que conecta sistemas cuánticos en formas que son imposibles en nuestro macro mundo clásico. Cuando dos partículas, como un par de electrones, están entrelazados, es imposible medir una sin saber algo de la otra. Sus propiedades, como el momento y la posición, están unidas.
El entrelazamiento surgió como un experimento mental ideado por Einstein (y que forma la Paradoja Einstein-Podolksy-Rosen o EPR). En un paper de 1935, Einstein y sus dos colegas mostraron que si la mecánica cuántica describe totalmente la realidad, entonces al hacer una medición en una parte de un sistema entrelazado afectaría instantáneamente nuestro conocimiento sobre futuras mediciones en la otra parte, lo que supondría que se estaría enviando información entre partículas más rápido que la velocidad de la luz. El físico alemán llamó a eso "fantasmagórica acción a distancia" y como se supone que eso es imposible, en el marco de la relatividad, implicaría que habría algo mal o desconocido en la física cuántica.
Décadas después, el entrelazamiento cuántico ha sido confirmado experimentalmente varias veces. Mientras los físicos aprendieron a controlar y estudiar el efecto, todavía resta hallar un mecanismo que lo explique o lograr un consenso sobre lo que significa.

EL TEOREMA DE BELL
El mundo de la mecánica cuántica -la física que gobierna el comportamiento del universo a muy pequeñas escalas- es realmente extraño. De acuerdo a sus leyes, los bloques de construcción de la Naturaleza son tanto partículas como ondas, sin definición local en el espacio. Hace falta otro sistema que observe o mida para empujar a esas partículas-ondas a "elegir" un estado definitivo. Y las partículas entrelazadas parecen afectar la "decisión" de la otra en forma instantánea, a cualquier distancia.
Para Einstein esto no podía ser real, sino una ilusión producto de nuestra ignorancia de lo que llamó "variables ocultas". En la década de 1960, el físico John Bell pensó en una prueba o test para modelos con variables ocultas que se llamó "desigualdades de Bell" o Teorema de Bell.
Del Teorema de Bell y la Paradoja EPR surgen estas suposiciones:
-Los objetos tienen propiedades que se mantienen sean observados o no (realismo)
-Nada puede influir a algo suficientemente lejos como para que una señal entre ellos necesite viajar más rápido que la luz (localidad)
-Los físicos pueden hacer mediciones libremente y sin influencias de variables ocultas (libertad de decisión)
Probar el entrelazamiento cuántico es clave para poner a prueba estas suposiciones. Si los experimentos muestran que la naturaleza obedece estas ideas, entonces vivimos en un mundo que podemos entender en forma clásica y las variables ocultas sólo crean la ilusión del entrelazamiento. Si los experimentos muestran que el mundo no sigue estas ideas, luego el entrelazamiento es real aunque sea raro o difícil de entender.

Las correlaciones estadísticas
Los físicos pueden medir propiedades de las partículas, como su espín, momento o polarización. Los experimentos mostraron que cuando las partículas están entrelazadas, el resultado de esas mediciones está más estadísticamente correlacionado que lo esperado en un sistema clásico, violando las desigualdades de Bell.
Hay diferentes formas de experimentos de Bell. En uno, los científicos envían dos fotones entrelazados a detectores separados. Si los fotones alcanzan a los detectores depende de su polarización: si están perfectamente alineados, pasarán por los detectores; de lo contrario, hay una probabilidad de que sean bloqueados, dependiendo del ángulo de alineación. Los físicos buscan saber si las partículas entrelazadas acaban con la misma polarización más frecuentemente que lo esperado en las estadísticas clásicas. Si lo hacen, al menos una de las ideas de Bell no puede ser cierta. Si el mundo no obedece al realismo, las propiedades de las partículas no están bien definidas antes de las mediciones. Si las partículas pueden influirse instantáneamente, entonces se comunican más rápido que la luz, violando la localidad y la relatividad especial.
Los científicos han especulado que los resultados experimentales previos podrían explicarse si el mundo no obedece una o ambas de las dos ideas de Bell, el realismo o la localidad. Pero recientes trabajos mostraron que quizás el culpable sería el tercer argumento, la libertad de decisión. Quizás los científicos al decidir acerca del ángulo por el que los fotones se dejan pasar por el polarizador no sea una decisión tan libre y aleatoria como pensaban.
El experimento de los cuásares se hizo para poner a prueba la idea de libertad de decisión. Los científicos determinaron el ángulo que permitiría ingresar a los fotones a los detectores basados en la longitud de onda de la luz de dos cuásares distantes, algo determinado 7.8 y 12.2 miles de millones de años atrás.
De esta forma, dicen los físicos, esos cuásares ocuparon el lugar de un generador de números aleatorios y así se eliminaría al experimento de influencias humanas.
Finalmente, el equipo encontró muchas más correlaciones entre los fotones entrelazados que lo esperado en un mundo clásico. Esto significa que si hubiera variables clásicas ocultas determinando los resultados del experimento, en el caso más extremo, la decisión de la medición debería haberse fijado mucho antes de la existencia humana, lo que supondría un universo altamente predeterminado.

El entrelazamiento cuántico todavía no fue explicado, así como no se sabe cómo al medir un sistema entrelazado lo convierte en clásico o si las partículas se comunican entre sí. Las paradojas suelen dejar de serlo cuando se adquiere nuevo conocimiento, es decir, parecen inexplicables sólo porque falta saber algo. De allí que es lógico pensar en las variables ocultas. Si es imposible transmitir información más rápido que la velocidad de la luz, entonces cómo explicar que dos partículas "gemelas", que nacen juntas y entrelazadas, cuando se cambia una característica de una partícula (como la polarización), entonces también cambia esa misma característica en la otra partícula, a pesar de que, mientras tanto, ambas se fueron alejando a velocidades cercanas a la velocidad de la luz y están muy lejos una de otra.

Una idea, no menos rara, es esta: quizás el espacio-tiempo sea una especie de campo, como un campo eléctrico o magnético. De modo que al surgir ambas partículas, ese campo es de un modo. Al cambiar algo en la partícula A, se modifica también el campo asociado de esa partícula pero también de la partícula B y esto último cambia a la partícula B. En ese escenario, lo que se transmitiría más rápido que la velocidad de la luz es información del espacio-tiempo en sí mismo, lo que no contradice a la relatividad especial.


EL EXPERIMENTO
El experimento fue liderado por Anton Zeilinger con la colaboración de la Universidad de Vienna, quienes usaron el Telescopio Nazionale Galileo (TNG) junto con el Telescopio William Herschel (WHT) en Roque de los Muchachos. Los resultados fueron publicados en Physical Review Letters.
En el experimento, se buscó con los telescopios a dos diferentes locaciones en el cielo. Cada telescopio estaba equipado con un fotómetro de dos canales y colectaron luz de un cuásar. Un filtro óptico en el fotómetro dividió la luz del cuásar entre fotones más rojos y más azules y éstos, al caer en uno de los canales de los fotómetros, se usaron como decisiones de medición aleatorias. Esa decisión fue usada para controlar el sistema de referencia en el cual medir el estado de polarización en el par de fotones entrelazados.
El par de fotones fueron generados desde un laboratorio móvil instalado en el Telescopio Óptico Nordic y uno fue enviado a una estación de recepción del TNG y el otro a una estación del WHT. Allí, la polarización individual de cada fotón fue medida en relación a las fluctuaciones de la luz de cada cuásar.
De acuerdo a la "fantasmagórica acción a distancia" según Einstein, la medición de un fotón en un sistema entrelazado influye instantáneamente en la medición del otro. La pregunta es: ¿cómo se decide qué mediciones hacer en los dos fotones? Es evidente que sería deseable tener mediciones independientes para que no tengan una influencia de una causa común.
En este experimento, dos cuásares fueron usados por primera vez como generadores de números aleatorios. Las fluctuaciones de la luz de esos cuásares que yacen a 12 y 8 mil millones de años luz en lugares opuestos del cielo, decidieron en cada fotón qué polarización es medida. Como la luz de los cuásares nos llega desde poco después del Big Bang, cualquier posible influencia en ambos cuásares tendría que haber ocurrido en sólo el 4% del universo conocido.

"El desafío crucial en el experimento fue asegurarse de que la decisión de la medición de la polarización en cada fotón entrelazado fuera hecha en forma completamente independiente de nosotros y de cualquier entorno", dijo Dominik Rauch, primer autor del paper.



Desigualdades de Bell
¿Por qué se dice "desigualdades"?
Lo que mostró Bell se puede escribir así:
Número (A, no B) + Número B (no C)>= Número A (no C)
Supongamos que A es sexo, varón-mujer; B es altura (bajo, alto); C es color de ojos (azul, verde)

Entonces podemos decir que: "El número de varones bajos más el número de personas altas (varones o mujeres) con ojos verdes debe ser igual o mayor que el número de hombres con ojos verdes. Esto seguro que no puede ser de otra forma."

No es muy difícil darse cuenta, algebraicamente, que esto tiene que ser cierto, al menos para objetos "clásicos", macroscópicos, con propiedades fijas. La gente no se tiñe el pelo en medio del experimento, no se pone tacos ni usa lentes de contacto.

Pero en el mundo cuántico, la cosa cambia, por el Principio de Incertidumbre de Heinsenberg. Lo que se mide, la polarización (que también es el espín) no se puede medir en dos direcciones distintas (90º, arriba o 45º) al mismo tiempo. Entonces, se pueden encontrar los valores de ambas propiedades si tenemos fotones entrelazados. Si el espín arriba es A, y espín 45º es B, entonces al medir A en una partícula, luego podremos probar la propiedad B en la otra. Pero como no se pueden medir las tres propiedades de cada partícula, sino sólo dos, no se puede decir si la desigualdad de Bell se quebró o no. Lo mejor que se puede hacer es correr la prueba en muchos miles de partículas y considerar la estadística del resultado. El primer experimento publicado lo hicieron Clauser, Horne, Shimony y Holt en 1969 (CHSH).
Fuentes: Andrew Thomas.
https://web.archive.org/web/20081121055459/http://www.ipod.org.uk/reality/reality_entangled.asp
http://www.faculty.umb.edu/gary_zabel/Courses/Parallel%20Universes/Texts/Quantum%20Entanglement.htm

David M. Harrison Bell's Theorem
https://faraday.physics.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/BellsTheorem/BellsTheorem.html

Fuentes y enlaces relacionados
"Cosmic Bell test using random measurement settings from high-redshift quasars”, Dominik Rauch, Johannes Handsteiner, Armin Hochrainer, Jason Gallicchio, Andrew S. Friedman, Calvin Leung, Bo Liu, Lukas Bulla, Sebastian Ecker, Fabian Steinlechner, Rupert Ursin, Beili Hu, David Leon, Chris Benn, Adriano Ghedina, Massimo Cecconi, Alan H. Guth, David I. Kaiser, Thomas Scheidl, and Anton Zeilinger, Physical Review Letters, 2018.

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.080403

The quest to test quantum entanglement
https://www.symmetrymagazine.org/article/the-quest-to-test-quantum-entanglement

The TNG and the confirmation of quantum entanglement using photons from distant astronomical objects
http://www.tng.iac.es/news/2018/08/23/cosmic/

Teorema de Bell en Wikipedia
https://es.wikipedia.org/wiki/Teorema_de_Bell

Sobre las imágenes
Foto inicial:Uno de los receptores móviles para fotones entrelazados operado por la Academia Austríaca de Ciencias en La Palma. Crédito: Dominik Rauch/OeAW.
Ilustración de un posible experimento de Bell. CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=641329

No hay comentarios.:

Publicar un comentario

Anillo astronómico

Anillo Astronómico
[ Únete | Listado | Al azar | <<> | Siguiente >> ]