Las predicciones de la mecánica cuántica a veces son difíciles de relacionar con ideas sobre el mundo clásico. Si bien la posición y el momento de una partícula clásica se pueden medir simultáneamente, en el caso cuántico, solo puede conocer la probabilidad de encontrar una partícula en un estado u otro. Además, la teoría cuántica establece que cuando dos sistemas se entrelazan, medir el estado de uno de ellos afecta instantáneamente al otro. En 2015, tres grupos de físicos hicieron un progreso significativo en la comprensión de la naturaleza del entrelazamiento cuántico y la teletransportación. Physics Today y Lenta.ru hablan sobre los logros de los científicos.
Albert Einstein no estuvo de acuerdo con la interpretación probabilística de la mecánica cuántica. Fue en este sentido que dijo que “Dios no juega a los dados” (a lo que el físico danés Niels Bohr respondió más tarde que no era Einstein quien decidiera qué hacer con Dios). El científico alemán no aceptó la incertidumbre inherente al micromundo y consideró correcto el determinismo clásico. El creador de la teoría general de la relatividad creía que al describir el micromundo, la mecánica cuántica no tiene en cuenta algunas variables ocultas, sin las cuales la propia teoría cuántica está incompleta. El científico sugirió buscar parámetros ocultos al medir un estado cuántico con un dispositivo clásico: este proceso implica un cambio en el primero por el segundo, y Einstein consideró posible experimentar donde no existe tal cambio.
Desde entonces, los científicos han estado tratando de determinar si existen variables ocultas en la mecánica cuántica o si fue una invención de Einstein. El problema de las variables ocultas fue formalizado en 1964 por el físico teórico británico John Bell. Propuso la idea de un experimento en el que se pueda descubrir la presencia de cualquier parámetro oculto en el sistema mediante la realización de un análisis estadístico de una serie de experimentos especiales. El experimento fue así. Se colocó un átomo en un campo externo, emitiendo simultáneamente un par de fotones, que se dispersaron en direcciones opuestas. La tarea de los experimentadores es realizar múltiples mediciones de la dirección de los giros de los fotones.
Esto permitiría recopilar las estadísticas necesarias y, utilizando las desigualdades de Bell, que son una descripción matemática de la presencia de parámetros ocultos en la mecánica cuántica, comprobar el punto de vista de Einstein. La principal dificultad residía en la implementación práctica del experimento, que posteriormente los físicos lograron reproducir. Los investigadores han demostrado que lo más probable es que no existan parámetros ocultos en la mecánica cuántica. Mientras tanto, había dos lagunas en teoría (ubicación y detección) que podrían probar que Einstein tenía razón. En general, hay más lagunas. Los experimentos de 2015 los cerraron y confirmaron que lo más probable es que no haya realismo local en el microcosmos.
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"Acción espeluznante" entre Bob y Alice
Imagen: JPL-Caltech / NASA
Estamos hablando de los experimentos de tres grupos de físicos: de la Universidad Técnica de Delft en los Países Bajos, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los Estados Unidos y la Universidad de Viena en Austria. Los experimentos de los científicos no solo confirmaron la integridad de la mecánica cuántica y la ausencia de parámetros ocultos en ella, sino que también abrieron nuevas posibilidades de la criptografía cuántica, un método para encriptar información (protegerla) utilizando entrelazamiento cuántico usando protocolos cuánticos, y llevaron a la creación de algoritmos para generar aún irrompibles. números al azar.
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El entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el que los estados cuánticos de las partículas (por ejemplo, el espín de un electrón o la polarización de un fotón), separados por una distancia entre sí, no pueden describirse de forma independiente. El procedimiento para medir el estado de una partícula conduce a un cambio en el estado de otra. En un experimento típico de entrelazamiento cuántico, los agentes que interactúan separados, Alice y Bob, poseen cada uno una partícula (fotones o electrones) de un par de entrelazados. La medición de una partícula por uno de los agentes, por ejemplo, Alice, se correlaciona con el estado del otro, aunque Alice y Bob no conocen de antemano las manipulaciones del otro.
Esto significa que las partículas de alguna manera almacenan información entre sí y no la intercambian, digamos, a la velocidad de la luz utilizando alguna interacción fundamental conocida por la ciencia. Albert Einstein lo llamó "acción espeluznante a distancia". Las partículas enredadas violan el principio de localidad, según el cual el estado de un objeto solo puede ser influenciado por su entorno inmediato. Esta contradicción está asociada a la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (asumiendo la incompletitud antes mencionada de la mecánica cuántica y la presencia de parámetros ocultos) y constituye una de las principales dificultades conceptuales (que, sin embargo, ya no se considera una paradoja) de la mecánica cuántica (al menos en su interpretación de Copenhague).).
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Esquema del experimento de los científicos holandeses.
Foto: arXiv.org
Los defensores del realismo local argumentan que solo las variables locales pueden afectar a las partículas, y la correlación entre las partículas de Alice y Bob se lleva a cabo utilizando algún método oculto que los científicos aún no conocen. La tarea de los científicos era refutar esta posibilidad experimentalmente, en particular, para evitar la propagación de una señal oculta de un agente a otro (asumiendo que se mueve a la velocidad de la luz en el vacío, el máximo posible en la naturaleza), y así demostrar que se ha producido un cambio en el estado cuántico de la segunda partícula. antes de que la señal latente de la primera partícula pudiera llegar a la segunda.
En la práctica, esto significa colocar a Bob y Alice a una distancia considerable el uno del otro (al menos decenas de metros). Esto evita la propagación de cualquier señal sobre un cambio en el estado de una de las partículas antes de medir el estado de la otra (trampa de ubicación). Mientras tanto, la imperfección de detectar el estado cuántico de partículas individuales (especialmente fotones) deja espacio para una laguna de muestreo (o detección). Por primera vez, los físicos de la Universidad Tecnológica de Delft lograron evitar dos dificultades a la vez.
En el experimento, usamos un par de detectores de diamantes con un separador de señal entre ellos. Los científicos tomaron un par de fotones no entrelazados y los dispersaron en diferentes espacios. Luego, cada uno de los electrones se entrelazó con un par de fotones, que luego se movieron al tercer espacio. En el curso de los experimentos, se pudo observar que un cambio en el estado (espín) de uno de los electrones afectaba al otro. En solo 220 horas (más de 18 días), los físicos han probado la desigualdad de Bell 245 veces. Las cantidades observadas de electrones se midieron utilizando rayos láser.
El experimento pudo medir los estados cuánticos de partículas separadas por una distancia de aproximadamente 1,3 kilómetros y mostrar la validez de la desigualdad de Bell (es decir, la validez de la teoría cuántica y la falacia del concepto de realismo local). Los resultados de este estudio se publican en la revista Nature. Se prevé que sus autores tengan un premio Nobel de física.
Posición de los detectores en el experimento holandés
Foto: arXiv.org
Equipos de Estados Unidos y Austria han experimentado con fotones. Así, científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología consiguieron batir el récord de distancia de teletransportación cuántica (transmisión del estado cuántico de un sistema a distancia) a través de un cable de fibra óptica, llevándolo a cabo a una distancia de 102 kilómetros. Para hacer esto, los científicos utilizaron cuatro detectores de fotón único creados en el mismo instituto sobre la base de nanocables superconductores (enfriados a menos 272 grados Celsius) de molibdeno silíceo. Solo el uno por ciento de los fotones viajó una distancia de 102 kilómetros. El récord anterior para la distancia de teletransportación cuántica sobre fibra fue de 25 kilómetros (a modo de comparación: el récord de distancia de teletransportación cuántica sobre el aire fue de 144 kilómetros).
Los científicos austriacos utilizaron sensores más eficientes que los estadounidenses, pero la resolución temporal en los experimentos de físicos de Estados Unidos es mucho mayor. A diferencia de los físicos holandeses, cuya configuración registró aproximadamente un evento por hora, los científicos de Estados Unidos y Austria pudieron realizar más de mil pruebas por segundo, lo que prácticamente excluye cualquier correlación aleatoria en los resultados experimentales.
Actualmente, los científicos están tratando de mejorar la eficiencia de los experimentos: llevan partículas a distancias cada vez mayores y aumentan la frecuencia de medición. Desafortunadamente, alargar el canal óptico conduce a una pérdida en la fracción de partículas detectadas y actualiza nuevamente el peligro de una laguna de detección. Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología están tratando de combatir esto utilizando un generador cuántico de números aleatorios en experimentos. En este caso, no es necesario transportar fotones a largas distancias, y la tecnología creada será útil en la criptografía cuántica.
Andrey Borisov
