Físicos de la Universidad de Basilea han observado por primera vez la paradoja de la mecánica cuántica de Einstein-Podolsky-Rosen en un sistema de varios cientos de átomos que interactúan. El fenómeno se remonta a un famoso experimento mental de 1935. Permite predecir con precisión los resultados de las mediciones y podría utilizarse en nuevos tipos de sensores y métodos de obtención de imágenes para campos electromagnéticos. Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Ciencias .

¿Con qué precisión podemos predecir los resultados de las mediciones en un sistema físico? En el mundo de las partículas diminutas que se rige por las leyes de la física cuántica, hay un límite fundamental para la precisión de tales predicciones. Este límite está expresado por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que es imposible predecir simultáneamente las mediciones de la posición y el momento de una partícula, o de dos componentes de un giro, con precisión arbitraria.

Una disminución paradójica de la incertidumbre

En 1935, sin embargo, Albert Einstein, Boris Podolsky, y Nathan Rosen publicaron un famoso artículo en el que demostraron que las predicciones precisas son teóricamente posibles en determinadas circunstancias. Para hacerlo consideraron dos sistemas, A y B, en lo que se conoce como un estado "enredado", en el que sus propiedades están fuertemente correlacionadas.

En este caso, los resultados de las mediciones en el sistema A se pueden utilizar para predecir los resultados de las mediciones correspondientes en el sistema B con precisión arbitraria. Esto es posible incluso si los sistemas A y B están separados espacialmente. La paradoja es que un observador puede usar mediciones en el sistema A para hacer declaraciones más precisas sobre el sistema B que un observador que tiene acceso directo al sistema B (pero no al A).

Primera observación en un sistema de muchas partículas

En el pasado, Los experimentos han utilizado átomos ligeros o individuales para estudiar la paradoja EPR, que toma sus iniciales de los científicos que lo descubrieron. Ahora, un equipo de físicos dirigido por el profesor Philipp Treutlein del Departamento de Física de la Universidad de Basilea y el Instituto Suizo de Nanociencia (SNI) ha observado con éxito la paradoja EPR utilizando un sistema de muchas partículas de varios cientos de átomos que interactúan por primera vez.

El experimento utilizó láseres para enfriar los átomos a solo unas mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto. A estas temperaturas, los átomos se comportan completamente de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica y forman lo que se conoce como un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia que Einstein predijo en otro artículo pionero en 1925. En esta nube ultra fría, los átomos chocan constantemente entre sí, haciendo que sus giros se enreden.

Luego, los investigadores tomaron medidas del espín en regiones del condensado separadas espacialmente. Gracias a las imágenes de alta resolución, pudieron medir las correlaciones de espín entre las regiones separadas directamente y, al mismo tiempo, para localizar los átomos en posiciones definidas con precisión. Con su experimento, los investigadores lograron utilizar mediciones en una región determinada para predecir los resultados para otra región.

"Los resultados de las mediciones en las dos regiones estaban tan fuertemente correlacionados que nos permitieron demostrar la paradoja de EPR, "dice el estudiante de doctorado Matteo Fadel, autor principal del estudio. "Es fascinante observar un fenómeno tan fundamental de la física cuántica en sistemas cada vez más grandes. Al mismo tiempo, nuestros experimentos establecen un vínculo entre dos de las obras más importantes de Einstein ".

En el camino hacia la tecnología cuántica

Además de su investigación básica, los científicos ya están especulando sobre las posibles aplicaciones de su descubrimiento. Por ejemplo, las correlaciones que están en el corazón de la paradoja EPR podrían usarse para mejorar los sensores atómicos y los métodos de generación de imágenes de campos electromagnéticos. El desarrollo de sensores cuánticos de este tipo es uno de los objetivos del Centro Nacional de Competencia en Investigación de Ciencia y Tecnología Cuánticas (NCCR QSIT), en el que participa activamente el equipo de investigadores.