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Viernes, 10 febrero 2017
Física

Nueva y espectacular demostración de un inquietante fenómeno de la mecánica cuántica

El entrelazamiento cuántico podría parecer estar más cerca de la ciencia-ficción que de la realidad física. Pero según las leyes de la mecánica cuántica (una rama de la física que describe el mundo a la escala de los átomos y las partículas subatómicas), el entrelazamiento cuántico es en realidad algo del todo real.

 

Imaginemos dos motas de polvo situadas en extremos opuestos del universo, separadas por miles de millones de años-luz. La teoría cuántica predice que, a despecho de la enorme distancia que las separe, estas dos partículas pueden estar entrelazadas cuánticamente. Es decir, cualquier medición realizada en una expresará inmediatamente información sobre el resultado de una futura medición en su compañera. En ese caso, los resultados de las mediciones sobre cada miembro de la pareja pueden estar grandemente correlacionados.

 

Si, en cambio, el universo se comporta como Einstein imaginó que debería (con las partículas poseyendo sus propias y determinadas propiedades previas a la medición, y con causas locales capaces solo de producir efectos locales), entonces debería haber un límite superior para cuánto podrían estar correlacionadas las mediciones sobre cada miembro de la pareja de partículas. El físico John Bell cuantificó este límite superior, llamado ahora “desigualdad de Bell”, hace más de 50 años.

 

En numerosos experimentos anteriores, los físicos han observado correlaciones entre partículas que pasan del límite establecido por la desigualdad de Bell, lo que sugiere que efectivamente están entrelazadas cuánticamente, tal como predice la teoría cuántica. Pero cada una de tales pruebas cuenta con escenarios teóricos, remotos pero no imposibles, que podrían explicar las correlaciones observadas incluso si el universo no estuviera gobernado por la mecánica cuántica.

 

Ahora, el equipo internacional de David Kaiser, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge, Estados Unidos, incluyendo físicos de la Universidad de Viena en Austria, y de otras entidades, ha analizado una de tales posibilidades remotas en ensayos de la desigualdad de Bell, una relacionada con la libertad de elección. El resultado del análisis incluye una contundente demostración del entrelazamiento cuántico.

 

Esta posibilidad remota tiene que ver con la idea de que los investigadores tienen libertad total a la hora de elegir la configuración de su experimento, desde los tipos de partículas a entrelazar cuánticamente hasta las mediciones que deciden practicar sobre ellas. Pero ¿qué pasaría si hubiera, ocultos, algunos otros factores o variables correlacionados con la configuración del experimento, que hicieran que los resultados parecieran estar entrelazados cuánticamente, cuando en realidad habrían sido el resultado de algún mecanismo no cuántico?

 

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Valiéndose de observaciones de estrellas desde los tejados de dos edificios, los físicos del MIT, la Universidad de Viena y otras entidades han llevado a cabo una contundente demostración del entrelazamiento cuántico. (Foto: Christine Daniloff/MIT)

 

A fin de intentar aclarar si existen o no esos hipotéticos factores ocultos, los físicos han recurrido a experimentos extremadamente controlados, en los que producen un par de fotones entrelazados cuánticamente a partir de una fuente única, y después los envían a dos detectores diferentes y miden sus propiedades con el propósito de determinar su grado de correlación, o entrelazamiento. Para descartar la posibilidad de que en los resultados puedan haber influido variables ocultas, los investigadores han usado generadores de números aleatorios en cada detector para decidir qué propiedad de cada fotón medir, en la fracción de segundo existente entre el momento en que el fotón deja la fuente y el momento en que llega al detector.

 

Sin embargo, también existe la posibilidad, si bien remota, de que variables ocultas, o influencias no cuánticas, afecten a un generador de números aleatorios antes de que traslade su decisión en una fracción de segundo al detector de fotones.

 

En 2014, Kaiser y sus colegas propusieron un experimento para utilizar fotones antiguos procedentes de fuentes astronómicas, como estrellas o cuásares, actuando a modo de generadores cósmicos de números aleatorios, reemplazando así a los generadores terrestres de números aleatorios en la tarea de determinar las mediciones a efectuar en cada fotón entrelazado. Dicha luz cósmica llegaría a la Tierra desde objetos muy alejados (de decenas a miles de millones de años-luz de distancia), Por tanto, si algunas variables ocultas fueran a interferir con la aleatoriedad de la elección de las mediciones, habrían tenido que poner esos cambios en marcha antes del momento en que la luz dejó la fuente cósmica, o sea mucho antes de que se llevara a cabo el experimento en la Tierra.

 

En este nuevo estudio, los investigadores han demostrado experimentalmente su idea por vez primera.

 

El equipo preparó una fuente para producir parejas de fotones muy entrelazados cuánticamente en el tejado de un laboratorio de la Universidad de Viena. En cada prueba, dispararon los fotones entrelazados en direcciones opuestas, hacia detectores situados en edificios a varias manzanas de distancia (el Banco Nacional Austriaco y un segundo edificio de la universidad).

 

Los investigadores también colocaron telescopios en los emplazamientos de ambos detectores y los dirigieron hacia estrellas, la más próxima de las cuales se halla a 600 años-luz de distancia, y sobre la cual ya habían previamente determinado que enviaría suficientes fotones (o luz estelar) en su dirección.

 

En la ínfima fracción de segundo previa a la llegada de un fotón entrelazado a un detector, los investigadores usaron cada telescopio para medir rápidamente una propiedad de un fotón estelar entrante, en este caso, si su longitud de onda era más rojiza o más azulada que una de referencia en particular. Después usaron esta propiedad aleatoria del fotón estelar, que su estrella generó hace 600 años, para determinar qué propiedad medir de los fotones entrelazados que llegaban. En este caso, los fotones estelares clasificados como rojos hacían que un detector midiera en el fotón entrelazado la polarización en una dirección en particular. En cambio, un fotón estelar clasificado como azul hacía que el detector midiera, en la partícula entrelazada, la polarización en una dirección diferente.

 

El equipo llevó a cabo dos experimentos, durando cada prueba solo tres minutos. En cada caso, los investigadores midieron unas 100.000 parejas de fotones entrelazados cuánticamente. Hallaron que las mediciones de polarización de las parejas de fotones estaban altamente correlacionadas, y muy por encima del límite establecido por la desigualdad de Bell, de un modo que no puede explicarse mediante ningún escenario tradicional pero que en cambio se explica muy fácilmente mediante la mecánica cuántica.

 

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