El entrelazamiento cuántico puede parecer más cercano a la ciencia ficción que cualquier otra cosa en nuestra realidad física. Pero de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, una rama de la física que describe el mundo a escala de átomos y partículas subatómicas, el entrelazamiento cuántico, que Einstein una vez consideró con escepticismo como "acción espeluznante a distancia, " es, De hecho, verdadero.

Imagina dos motas de polvo en extremos opuestos del universo, separados por varios miles de millones de años luz. La teoría cuántica predice que, independientemente de la gran distancia que los separa, estas dos partículas pueden enredarse. Es decir, cualquier medición realizada en uno transmitirá instantáneamente información sobre el resultado de una medición futura en su socio. En ese caso, los resultados de las mediciones en cada miembro del par pueden estar altamente correlacionados.

Si, en lugar de, el universo se comporta como Einstein imaginó que debería, con partículas que tienen las suyas propias, propiedades definidas antes de la medición, y con causas locales que sólo pueden producir efectos locales, entonces debería haber un límite superior en el grado en que las mediciones en cada miembro del par de partículas podrían correlacionarse. El físico John Bell cuantificó ese límite superior, ahora conocido como "la desigualdad de Bell, "Hace más de 50 años.

En numerosos experimentos previos, Los físicos han observado correlaciones entre partículas que superan el límite establecido por la desigualdad de Bell, lo que sugiere que de hecho están enredados, tal como lo predice la teoría cuántica. Pero cada una de estas pruebas ha estado sujeta a varias "lagunas, "Escenarios que podrían explicar las correlaciones observadas incluso si el mundo no estuviera gobernado por la mecánica cuántica.

Ahora, físicos del MIT, la Universidad de Viena, y en otros lugares han abordado una laguna en las pruebas de la desigualdad de Bell, conocido como el vacío legal de la libertad de elección, y han presentado una fuerte demostración de entrelazamiento cuántico incluso cuando la vulnerabilidad a esta laguna está significativamente restringida.

"La propiedad inmobiliaria que quedaba para los escépticos de la mecánica cuántica se ha reducido considerablemente, "dice David Kaiser, el profesor Germeshausen de Historia de la Ciencia y profesor de física en el MIT. "No nos hemos deshecho de eso, pero lo hemos reducido en 16 órdenes de magnitud ".

Un equipo de investigación que incluye a Kaiser; Alan Guth, el profesor de física Victor F. Weisskopf en el MIT; Andrew Friedman, un investigador asociado del MIT; y colegas de
la Universidad de Viena y otros lugares ha publicado sus resultados hoy en la revista Cartas de revisión física .

Cerrando la puerta a las alternativas cuánticas

El vacío legal de la libertad de elección se refiere a la idea de que los experimentadores tienen total libertad para elegir su configuración experimental, de los tipos de partículas a enredar, a las medidas que eligen hacer en esas partículas. Pero, ¿y si hubiera otros factores o variables ocultas correlacionadas con la configuración experimental? haciendo que los resultados parezcan entrelazados cuánticamente, cuando en realidad eran el resultado de algún mecanismo no cuántico?

Los físicos han intentado abordar esta laguna con experimentos extremadamente controlados, en el que producen un par de fotones entrelazados de una sola fuente, luego envíe los fotones a dos detectores diferentes y mida las propiedades de cada fotón para determinar su grado de correlación, o enredo. Para descartar la posibilidad de que variables ocultas hayan influido en los resultados, Los investigadores han utilizado generadores de números aleatorios en cada detector para decidir qué propiedad de cada fotón medir. en la fracción de segundo entre el momento en que el fotón abandona la fuente y llega al detector.

Pero hay una posibilidad por leve que sea, que las variables ocultas, o influencias no cuánticas, puede afectar a un generador de números aleatorios antes de que transmita su decisión en una fracción de segundo al detector de fotones.

"En el corazón del entrelazamiento cuántico está el alto grado de correlaciones en los resultados de las mediciones en estos pares [de partículas], "Dice Kaiser." Pero, ¿y si un escéptico o crítico insistiera en que estas correlaciones no se deben a que estas partículas actúan de una manera totalmente mecánica cuántica? Queremos abordar si hay alguna otra forma en que esas correlaciones podrían haberse infiltrado sin que nos demos cuenta ".

"Estrellas alineadas"

En 2014, Emperador, Friedman, y su colega Jason Gallicchio (ahora profesor en Harvey Mudd College) propusieron un experimento para usar fotones antiguos de fuentes astronómicas como estrellas o cuásares como "generadores de escenarios cósmicos, "en lugar de generadores de números aleatorios en la Tierra, para determinar las medidas a realizar en cada fotón entrelazado. Esa luz cósmica llegaría a la Tierra desde objetos que están muy lejos, desde docenas hasta miles de millones de años luz de distancia. Por lo tanto, si algunas variables ocultas interfirieran con la aleatoriedad de la elección de las medidas, tendrían que haber puesto en marcha esos cambios antes de que la luz dejara la fuente cósmica, mucho antes de que se llevara a cabo el experimento en la Tierra.

En este nuevo artículo, los investigadores han demostrado su idea experimentalmente por primera vez. El equipo, incluyendo al profesor Anton Zeilinger y su grupo en el

Universidad de Viena y Academia de Ciencias de Austria, instaló una fuente para producir pares de fotones altamente entrelazados en el techo de un laboratorio universitario en Viena. En cada ejecución experimental, dispararon los fotones entrelazados en direcciones opuestas, hacia detectores ubicados en edificios a varias cuadras de la ciudad:el Banco Nacional de Austria y un segundo edificio universitario.

Los investigadores también instalaron telescopios en ambos sitios de detectores y los entrenaron en estrellas, el más cercano está a unos 600 años luz de distancia, que habían determinado previamente enviaría suficientes fotones, o luz de las estrellas, en su dirección.

"En esas noches, las estrellas alineadas, "Dice Friedman." Y con estrellas brillantes como estas, la cantidad de fotones que entran puede ser como una manguera de incendios. Así que tenemos estos detectores muy rápidos que pueden registrar detecciones de fotones cósmicos en escalas de tiempo de subnanosegundos ".

"Fuera de control" con Einstein

En los pocos microsegundos antes de que un fotón entrelazado llegara a un detector, los investigadores utilizaron cada telescopio para medir rápidamente una propiedad de un fotón estelar entrante; en este caso, si su longitud de onda era más roja o más azul que una longitud de onda de referencia particular. Luego usaron esta propiedad aleatoria del fotón estelar, generado hace 600 años por su estrella, para determinar qué propiedad de los fotones entrelazados entrantes medir. En este caso, Los fotones estelares rojos señalaron a un detector para medir la polarización de un fotón entrelazado en una dirección particular. Un fotón estelar azul configuraría el dispositivo para medir la polarización de la partícula entrelazada en una dirección diferente.

El equipo realizó dos experimentos, con cada ejecución experimental que dura sólo tres minutos. En cada caso, los investigadores midieron alrededor de 100, 000 pares de fotones entrelazados. Descubrieron que las medidas de polarización de los pares de fotones estaban altamente correlacionadas, muy por encima del límite establecido por la desigualdad de Bell, de una manera que se explica más fácilmente por la mecánica cuántica.

"Encontramos respuestas consistentes con la mecánica cuántica en un grado enormemente fuerte, y enormemente fuera de sintonía con una predicción similar a la de Einstein, "Dice Kaiser.

Los resultados representan mejoras en 16 órdenes de magnitud con respecto a los esfuerzos anteriores para abordar el vacío legal de la libertad de elección.

"Todos los experimentos anteriores podrían haber estado sujetos a esta extraña laguna para dar cuenta de los resultados microsegundos antes de cada experimento, versus nuestros 600 años, "Dice Kaiser." Así que es una diferencia de una millonésima de segundo versus el valor de 600 años en segundos, 16 órdenes de magnitud ".

"Este experimento retrasa el último momento en el que podría haber comenzado la conspiración, "Agrega Guth." Estamos diciendo:para que algún mecanismo loco simule
mecánica cuántica en nuestro experimento, ese mecanismo tenía que haber estado en funcionamiento hace 600 años para planificar que hiciéramos el experimento aquí hoy, y haber enviado fotones de los mensajes adecuados para terminar reproduciendo los resultados de la mecánica cuántica. Así que es muy inverosímil ".

También hay un segundo, posibilidad igualmente inverosímil, dice Michael Hall, investigador senior de la Universidad Griffith en Brisbane, Australia.

"Cuando los fotones de las estrellas distantes llegan a los dispositivos que determinan los ajustes de medición, es posible que estos dispositivos actúen de alguna manera para cambiar los colores de los fotones, de una manera que se correlacione con el láser que produce el entrelazamiento, "dice Hall, que no estuvo involucrado en el trabajo. "Esto solo requeriría una conspiración de 10 microsegundos de antigüedad entre los dispositivos y el láser. Sin embargo, la idea de que los fotones no muestran sus 'colores verdaderos' cuando se detectan anularía toda la astronomía observacional y el electromagnetismo básico ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.