No hace mucho tiempo, los físicos mostraron los primeros resultados de la misión QUESS y el satélite Mozi puesto en órbita dentro de su marco, proporcionando una separación récord de fotones entrelazados cuánticos a una distancia de más de 1200 km. En el futuro, esto puede conducir a la creación de una línea de comunicación cuántica entre Beijing y Europa.
El mundo que nos rodea es grande y diverso, tan diverso que aparecen leyes en algunas escalas que son completamente impensables para otras. Las leyes de la política y de la Beatlemanía no se derivan de la estructura del átomo de ninguna manera, su descripción requiere sus propias "fórmulas" y sus propios principios. Es difícil imaginar que una manzana, un objeto macroscópico cuyo comportamiento generalmente sigue las leyes de la mecánica newtoniana, tomó y desapareció, se fusionó con otra manzana, convirtiéndose en una piña. Y, sin embargo, son precisamente estos fenómenos paradójicos los que se manifiestan a nivel de partículas elementales. Habiendo aprendido que esta manzana es roja, es poco probable que cambiemos a verde otra, ubicada en algún lugar de la órbita. Mientras tanto, así es exactamente como funciona el fenómeno del entrelazamiento cuántico, y esto es exactamente lo que han demostrado los físicos chinos, con cuyo trabajo comenzamos nuestra conversación. Tratemos de resolverloqué es y cómo puede ayudar a la humanidad.
Bohr, Einstein y otros
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El mundo que nos rodea es local; en otras palabras, para que algún objeto distante cambie, debe interactuar con otro objeto. Además, ninguna interacción puede propagarse más rápido que la luz: esto hace que la realidad física sea local. Una manzana no puede golpear a Newton en la cabeza sin alcanzarla físicamente. Una llamarada solar no puede afectar instantáneamente el funcionamiento de los satélites: las partículas cargadas deberán cubrir la distancia a la Tierra e interactuar con la electrónica y las partículas atmosféricas. Pero en el mundo cuántico se viola la localidad.
La más famosa de las paradojas del mundo de las partículas elementales es el principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual es imposible determinar con precisión el valor de ambas características del "par" de un sistema cuántico. Posición en el espacio (coordenada) o velocidad y dirección del movimiento (impulso), corriente o voltaje, el valor del componente eléctrico o magnético del campo - todos estos son parámetros "complementarios", y cuanto más exactamente medimos uno de ellos, menos definido será el segundo.
Érase una vez, fue el principio de incertidumbre lo que causó el malentendido de Einstein y su famosa objeción escéptica, "Dios no juega a los dados". Sin embargo, parece estar jugando: todos los experimentos conocidos, las observaciones directas e indirectas y los cálculos indican que el principio de incertidumbre es una consecuencia de la indeterminación fundamental de nuestro mundo. Y nuevamente llegamos a una discrepancia entre las escalas y los niveles de la realidad: donde existimos, todo es bastante seguro: si aflojas los dedos y sueltas la manzana, caerá, atraída por la gravedad de la Tierra. Pero en un nivel más profundo, simplemente no hay causas ni efectos, sino solo una danza de probabilidades.
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La paradoja del estado cuántico de partículas entrelazadas radica en el hecho de que el "golpe en la cabeza" puede ocurrir exactamente simultáneamente con la separación de la manzana de la rama. El enredo no es local, y cambiar un objeto en un lugar instantáneamente, y sin ninguna interacción obvia, cambia otro objeto completamente en otro. Teóricamente, podemos llevar una de las partículas entrelazadas al menos al otro extremo del Universo, pero de todos modos, si "tocamos" a su compañero, que se quedó en la Tierra, la segunda partícula responderá instantáneamente. No fue fácil para Einstein creer esto, y su discusión con Niels Bohr y sus colegas del "campo" de la mecánica cuántica se convirtió en uno de los temas más fascinantes de la historia moderna de la ciencia. "La realidad es cierta", como dirían Einstein y sus seguidores, "sólo nuestros modelos, ecuaciones y herramientas son imperfectos". "Los modelos pueden ser cualquier cosa,pero la realidad misma en la base de nuestro mundo nunca ha sido completamente determinada”, objetaron los partidarios de la mecánica cuántica.
Oponiéndose a sus paradojas, en 1935 Einstein, junto con Boris Podolsky y Nathan Rosen, formuló su propia paradoja. “Está bien”, razonaron, “digamos que es imposible encontrar la coordenada y el momento de una partícula al mismo tiempo. Pero, ¿y si tenemos dos partículas de origen común, cuyos estados son idénticos? Entonces podemos medir el impulso de uno, lo que nos dará información indirecta sobre el impulso del otro, y la coordenada del otro, lo que dará conocimiento de la coordenada del primero . Tales partículas eran una construcción puramente especulativa, un experimento mental; tal vez por eso Niels Bohr (o más bien, sus seguidores) logró encontrar una respuesta decente solo 30 años después.
Quizás el primer espectro de las paradojas de la mecánica cuántica fue observado por Heinrich Hertz, quien notó que si los electrodos de chispa se iluminaban con luz ultravioleta, el paso de la chispa era notablemente más fácil. Los experimentos de Stoletov, Thomson y otros grandes físicos hicieron posible comprender que esto sucede debido a que, bajo la influencia de la radiación, la materia emite electrones. Sin embargo, esto es completamente diferente de lo que sugiere la lógica; por ejemplo, la energía de los electrones liberados no será mayor si aumentamos la intensidad de la radiación, pero aumentará si disminuimos su frecuencia. Al aumentar esta frecuencia, llegamos al límite, más allá del cual la sustancia no presenta ningún fotoefecto; este nivel es diferente para diferentes sustancias.
Einstein supo explicar estos fenómenos, por lo que fue galardonado con el Premio Nobel. Están relacionados con la cuantificación de la energía, con el hecho de que solo puede ser transmitida por ciertas "micro-porciones", cuantos. Cada fotón de radiación lleva cierta energía y, si es suficiente, el electrón del átomo que lo absorbió volará hacia la libertad. La energía de los fotones es inversamente proporcional a la longitud de onda, y cuando se alcanza el límite del efecto fotoeléctrico, ya no es suficiente ni siquiera para impartir al electrón la energía mínima requerida para la liberación. Hoy en día, encontramos este fenómeno en todas partes, en forma de paneles solares, cuyas fotocélulas funcionan sobre la base de este efecto.
Experimentos, interpretaciones, misticismo
A mediados de la década de 1960, John Bell se interesó por el problema de la no localidad en la mecánica cuántica. Pudo ofrecer una base matemática para un experimento completamente factible, que debería terminar con uno de los resultados alternativos. El primer resultado "funcionó" si realmente se viola el principio de localidad, el segundo, si, después de todo, siempre funciona y tenemos que buscar alguna otra teoría para describir el mundo de las partículas. Ya a principios de la década de 1970, estos experimentos fueron realizados por Stuart Friedman y John Clauser, y luego por Alain Aspan. En pocas palabras, la tarea consistía en crear pares de fotones entrelazados y medir sus espines, uno por uno. Las observaciones estadísticas han demostrado que los giros no son gratuitos, sino que están correlacionados entre sí. Tales experimentos se han llevado a cabo casi continuamente desde entonces,cada vez más preciso y perfecto, y el resultado es el mismo.
Cabe agregar que el mecanismo que explica el entrelazamiento cuántico aún no está claro, solo hay un fenómeno, y diferentes interpretaciones dan sus explicaciones. Así, en la interpretación de la mecánica cuántica de muchos mundos, las partículas entrelazadas son solo proyecciones de los posibles estados de una sola partícula en otros universos paralelos. En la interpretación transaccional, estas partículas están vinculadas por ondas estacionarias de tiempo. Para los "místicos cuánticos" el fenómeno del entrelazamiento es otra razón para considerar la base paradójica del mundo como una forma de explicar todo lo incomprensible, desde las propias partículas elementales hasta la conciencia humana. Los místicos pueden entender: si lo piensas, las consecuencias son vertiginosas.
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El simple experimento de Clauser-Friedman indica que la localidad del mundo físico en la escala de partículas elementales puede ser violada, y la base misma de la realidad resulta ser, para horror de Einstein, vaga e indefinida. Esto no significa que la interacción o la información puedan transmitirse instantáneamente, a expensas del enredo. La separación de partículas entrelazadas en el espacio se realiza a velocidad normal, los resultados de la medición son aleatorios y, hasta que midamos una partícula, la segunda no contendrá ninguna información sobre el resultado futuro. Desde el punto de vista del receptor de la segunda partícula, el resultado es completamente aleatorio. ¿Por qué nos interesa todo esto?
Cómo entrelazar partículas: Tomemos un cristal con propiedades ópticas no lineales, es decir, uno cuya interacción de la luz depende de la intensidad de esta luz. Por ejemplo, triborato de litio, beta borato de bario, niobato de potasio. Irradiarlo con un láser de una longitud de onda adecuada y los fotones de alta energía de la radiación láser a veces se desintegrarán en pares de fotones entrelazados de menor energía (este fenómeno se denomina "dispersión paramétrica espontánea") y polarizados en planos perpendiculares. Todo lo que queda es mantener intactas las partículas entrelazadas y esparcirlas lo más lejos posible.
¿Parece que dejamos caer la manzana mientras hablamos del principio de incertidumbre? Levántelo y tírelo contra la pared; por supuesto, se romperá, porque en el macrocosmos otra paradoja de la mecánica cuántica, el túnel, no funciona. Durante el túnel, una partícula es capaz de superar una barrera de energía más alta que su propia energía. La analogía con una manzana y una pared es, por supuesto, muy aproximada, pero ilustrativa: el efecto túnel permite que los fotones penetren en el medio reflectante y que los electrones "ignoren" la delgada película de óxido de aluminio que cubre los cables y que en realidad es un dieléctrico.
Nuestra lógica cotidiana y las leyes de la física clásica no son muy aplicables a las paradojas cuánticas, pero aún funcionan y se usan ampliamente en tecnología. Los físicos parecen haberlo decidido (temporalmente): incluso si aún no sabemos completamente cómo funciona, los beneficios pueden derivarse de esto ya hoy. El efecto de túnel subyace en el funcionamiento de algunos microchips modernos, en forma de diodos y transistores de túnel, uniones de túnel, etc. Y, por supuesto, no debemos olvidarnos de los microscopios de túnel de barrido, en los que el túnel de partículas permite la observación de moléculas y átomos individuales, e incluso la manipulación por ellos.
Comunicación, teletransportación y satélite
De hecho, imaginemos que tenemos dos manzanas “entrelazadas cuánticamente”: si la primera manzana resulta ser roja, entonces la segunda es necesariamente verde, y viceversa. Podemos enviar uno desde Petersburgo a Moscú, manteniendo su estado de confusión, pero eso parece ser todo. Solo cuando en San Petersburgo una manzana se mide como roja, la segunda se volverá verde en Moscú. Hasta el momento de la medición, no hay posibilidad de predecir el estado de la manzana, porque (¡todas las mismas paradojas!) No tienen el estado más definido. ¿Para qué sirve este entrelazamiento? … Y el sentido ya se encontró en la década de 2000, cuando Andrew Jordan y Alexander Korotkov, basándose en las ideas de los físicos soviéticos, encontraron una manera de medir, por así decirlo, "no hasta el final" y, por lo tanto, de fijar los estados de las partículas.
Usando "medidas cuánticas débiles", puede, por así decirlo, mirar una manzana con medio ojo, echar un vistazo, tratar de adivinar su color. Puede hacer esto una y otra vez, de hecho, sin mirar la manzana correctamente, pero determinar con bastante confianza que es, por ejemplo, roja, lo que significa que una manzana en Moscú que se confunde con ella será verde. Esto permite que las partículas entrelazadas se utilicen una y otra vez, y los métodos propuestos hace unos 10 años permiten almacenarlas corriendo en círculo durante un tiempo indefinidamente largo. Queda por llevarse una de las partículas y obtener un sistema extremadamente útil.
Hablando francamente, parece que los beneficios de las partículas entrelazadas son mucho más de lo que comúnmente se piensa, solo nuestra escasa imaginación, constreñida por la misma escala macroscópica de realidad, no nos permite proponer aplicaciones reales para ellas. Sin embargo, las propuestas ya existentes son bastante fantásticas. Así, sobre la base de partículas entrelazadas, es posible organizar un canal para la teletransportación cuántica, completar la "lectura" del estado cuántico de un objeto y "registrarlo" en otro, como si el primero simplemente se transportara a la distancia adecuada. Las perspectivas de la criptografía cuántica son más realistas, cuyos algoritmos prometen canales de comunicación casi "irrompibles": cualquier interferencia en su trabajo afectará al estado de las partículas entrelazadas y será inmediatamente advertida por el propietario. Aquí es donde entra en juego el experimento chino QESS (Experimentos cuánticos a escala espacial).
Ordenadores y satélites
El problema es que, en la Tierra, es difícil crear una conexión confiable para partículas entrelazadas que están muy separadas. Incluso en la fibra óptica más avanzada, a través de la cual se transmiten los fotones, la señal se desvanece gradualmente y los requisitos para ella son especialmente altos aquí. Los científicos chinos incluso han calculado que si crea fotones entrelazados y los envía en dos direcciones con hombros de unos 600 km mil años. El espacio es otro asunto, en cuyo profundo vacío los fotones vuelan tal distancia sin encontrar ningún obstáculo. Y entonces entra en escena el satélite experimental Mozi ("Mo-Tzu").
Se instaló una fuente (láser y cristal no lineal) en la nave espacial, que cada segundo producía varios millones de pares de fotones entrelazados. Desde una distancia de 500 a 1700 km, algunos de estos fotones fueron enviados al observatorio terrestre en Deling en el Tíbet, y el segundo, en Shenzhen y Lijiang en el sur de China. Como era de esperar, la principal pérdida de partículas se produjo en las capas inferiores de la atmósfera, pero esto es solo unos 10 km de la trayectoria de cada haz de fotones. Como resultado, el canal de partículas enredadas cubrió la distancia desde el Tíbet hasta el sur del país, unos 1200 km, y en noviembre de este año se abrió una nueva línea que conecta la provincia de Anhui en el este con la provincia central de Hubei. Hasta ahora, el canal carece de confiabilidad, pero esto ya es una cuestión de tecnología.
En un futuro cercano, los chinos planean lanzar satélites más avanzados para organizar tales canales y prometen que pronto veremos una conexión cuántica funcional entre Beijing y Bruselas, de hecho, de un extremo del continente al otro. Otra paradoja "imposible" de la mecánica cuántica promete otro salto tecnológico.
Sergey Vasiliev
