Cuando dos partículas están entrelazadas, el estado de una está ligado al estado de la otra. Victor de Schwanberg/Science Photo Library a través de Getty Images

 

¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

Un físico explica la ciencia de la "acción espeluznante a distancia" de Einstein.

Traducido del Inglés publicado en :The Conversation" bajo licencia "Commons" Published: October 6, 2022 1.51pm EDT by: Associate Professor of Physics, University of South Florida

 

El Premio Nobel de Física 2022 reconoció a tres científicos que hicieron contribuciones innovadoras en la comprensión de uno de los fenómenos naturales más misteriosos: el entrelazamiento cuántico.

En los términos más simples, el entrelazamiento cuántico significa que los aspectos de una partícula de un par entrelazado dependen de los aspectos de la otra partícula, sin importar qué tan separados estén o qué haya entre ellos. Estas partículas podrían ser, por ejemplo, electrones o fotones, y un aspecto podría ser el estado en el que se encuentra, como si está “girando” en una dirección u otra.

La parte extraña del entrelazamiento cuántico es que cuando mides algo sobre una partícula en un par entrelazado, inmediatamente sabes algo sobre la otra partícula, incluso si están separadas por millones de años luz. Esta extraña conexión entre las dos partículas es instantánea, aparentemente rompiendo una ley fundamental del universo. Albert Einstein llamó al fenómeno "acción espeluznante a distancia".

 

De acuerdo con la mecánica cuántica, las partículas se encuentran simultáneamente en dos o más estados hasta que se observan, un efecto capturado vívidamente por el famoso experimento mental de Schrödinger de un gato que está muerto y vivo simultáneamente. Michael Holloway/Wikimedia Commons, CC BY-SA

Habiendo pasado la mayor parte de dos décadas realizando experimentos basados ​​en la mecánica cuántica, he llegado a aceptar su extrañeza. Gracias a instrumentos cada vez más precisos y confiables y al trabajo de los ganadores del Nobel de este año, Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger, los físicos ahora integran los fenómenos cuánticos en su conocimiento del mundo con un grado excepcional de certeza.

 

Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen señalaron un problema aparente con el entrelazamiento cuántico en 1935 que llevó a Einstein a describir el entrelazamiento cuántico como una "acción espeluznante a distancia". Sophie Dela/Wikimedia Commons

 

Sin embargo, incluso hasta la década de 1970, los investigadores aún estaban divididos sobre si el entrelazamiento cuántico era un fenómeno real. Y por buenas razones, ¿quién se atrevería a contradecir al gran Einstein, quien lo dudaba? Fue necesario el desarrollo de nueva tecnología experimental e investigadores audaces para finalmente poner fin a este misterio.

 

Se puede crear un entrelazamiento entre un par de partículas, una medida como giro hacia arriba y la otra como giro hacia abajo. atdigit/iStock a través de Getty Images.

Existente en varios estados a la vez
Para comprender verdaderamente lo espeluznante del entrelazamiento cuántico, es importante comprender primero la superposición cuántica. La superposición cuántica es la idea de que las partículas existen en múltiples estados a la vez. Cuando se realiza una medición, es como si la partícula seleccionara uno de los estados en la superposición.

Por ejemplo, muchas partículas tienen un atributo llamado espín que se mide como "arriba" o "abajo" para una determinada orientación del analizador. Pero hasta que mides el giro de una partícula, existe simultáneamente en una superposición de giro hacia arriba y hacia abajo.

Hay una probabilidad adjunta a cada estado y es posible predecir el resultado promedio de muchas mediciones. La probabilidad de que una sola medida esté arriba o abajo depende de estas probabilidades, pero en sí misma es impredecible.

Aunque es muy extraño, las matemáticas y una gran cantidad de experimentos han demostrado que la mecánica cuántica describe correctamente la realidad física.


Dos partículas entrelazadas
Lo espeluznante del entrelazamiento cuántico emerge de la realidad de la superposición cuántica, y fue claro para los padres fundadores de la mecánica cuántica que desarrollaron la teoría en las décadas de 1920 y 1930.

Para crear partículas entrelazadas, esencialmente se divide un sistema en dos, donde se conoce la suma de las partes. Por ejemplo, puedes dividir una partícula con espín cero en dos partículas que necesariamente tendrán espines opuestos para que su suma sea cero.

En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen publicaron un artículo que describe un experimento mental diseñado para ilustrar un aparente absurdo del entrelazamiento cuántico que desafiaba una ley fundamental del universo.

Una versión simplificada de este experimento mental, atribuida a David Bohm, considera la descomposición de una partícula llamada mesón pi. Cuando esta partícula se desintegra, produce un electrón y un positrón que tienen espín opuesto y se alejan el uno del otro. Por lo tanto, si el espín del electrón se mide hacia arriba, entonces el espín medido del positrón solo podría ser hacia abajo, y viceversa. Esto es cierto incluso si las partículas están separadas por miles de millones de millas.

Esto estaría bien si la medición del espín del electrón fuera siempre hacia arriba y la medición del espín del positrón fuera siempre hacia abajo. Pero debido a la mecánica cuántica, el espín de cada partícula tiene una parte hacia arriba y una parte hacia abajo hasta que se mide. Solo cuando ocurre la medición, el estado cuántico del espín "colapsa" hacia arriba o hacia abajo, colapsando instantáneamente la otra partícula en el espín opuesto. Esto parece sugerir que las partículas se comunican entre sí a través de algún medio que se mueve más rápido que la velocidad de la luz. Pero según las leyes de la física, nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. ¿Seguramente el estado medido de una partícula no puede determinar instantáneamente el estado de otra partícula en el otro extremo del universo?

Los físicos, incluido Einstein, propusieron una serie de interpretaciones alternativas del entrelazamiento cuántico en la década de 1930. Teorizaron que había alguna propiedad desconocida, denominada variables ocultas, que determinaba el estado de una partícula antes de la medición. Pero en ese momento, los físicos no tenían la tecnología ni una definición de una medida clara que pudiera probar si la teoría cuántica necesitaba modificarse para incluir variables ocultas.

 

John Bell, un físico irlandés, ideó los medios para probar la realidad de si el entrelazamiento cuántico se basaba en variables ocultas. CERN, CC POR

Refutar una teoría


Tomó hasta la década de 1960 antes de que hubiera pistas para una respuesta. John Bell, un brillante físico irlandés que no vivió para recibir el Premio Nobel, ideó un esquema para probar si la noción de variables ocultas tenía sentido.

Bell produjo una ecuación que ahora se conoce como la desigualdad de Bell que siempre es correcta, y solo correcta, para las teorías de variables ocultas, y no siempre para la mecánica cuántica. Por lo tanto, si se encuentra que la ecuación de Bell no se cumple en un experimento del mundo real, las teorías de variables ocultas locales pueden descartarse como una explicación para el entrelazamiento cuántico.

Los experimentos de los premios Nobel de 2022, en particular los de Alain Aspect, fueron las primeras pruebas de la desigualdad de Bell. Los experimentos utilizaron fotones entrelazados, en lugar de pares de un electrón y un positrón, como en muchos experimentos mentales. Los resultados descartaron de manera concluyente la existencia de variables ocultas, un misterioso atributo que predeterminaría los estados de las partículas entrelazadas. Colectivamente, estos y muchos experimentos posteriores han reivindicado la mecánica cuántica. Los objetos se pueden correlacionar a grandes distancias de maneras que la física anterior a la mecánica cuántica no puede explicar.

Es importante destacar que tampoco hay conflicto con la relatividad especial, que prohíbe la comunicación más rápida que la luz. El hecho de que las mediciones en grandes distancias estén correlacionadas no implica que la información se transmita entre las partículas. Dos partes muy alejadas que realizan mediciones en partículas entrelazadas no pueden usar el fenómeno para transmitir información más rápido que la velocidad de la luz.

Hoy, los físicos continúan investigando el entrelazamiento cuántico e investigan posibles aplicaciones prácticas. Aunque la mecánica cuántica puede predecir la probabilidad de una medición con una precisión increíble, muchos investigadores se muestran escépticos de que proporcione una descripción completa de la realidad. Sin embargo, una cosa es cierta. Queda mucho por decir sobre el misterioso mundo de la mecánica cuántica.