El año pasado, físicos del MIT, la Universidad de Viena, y en otros lugares proporcionó un fuerte apoyo para el entrelazamiento cuántico, la idea aparentemente lejana de que dos partículas, no importa cuán distantes entre sí en el espacio y el tiempo, pueden estar indisolublemente vinculados, de una manera que desafía las reglas de la física clásica.

Llevar, por ejemplo, dos partículas asentadas en bordes opuestos del universo. Si están realmente enredados, Entonces, de acuerdo con la teoría de la mecánica cuántica, sus propiedades físicas deben estar relacionadas de tal manera que cualquier medición realizada en una partícula debe transmitir instantáneamente información sobre cualquier resultado de medición futuro de la otra partícula, correlaciones que Einstein vio con escepticismo como "acción espeluznante en un momento. distancia."

En los años 1960, el físico John Bell calculó un límite teórico más allá del cual tales correlaciones deben tener un cuanto, en lugar de un clásico, explicación.

Pero, ¿y si tales correlaciones fueran el resultado no del entrelazamiento cuántico, pero de alguna otra escondida, explicación clásica? Estos "qué pasaría si" son conocidos por los físicos como lagunas a las pruebas de la desigualdad de Bell, la más obstinada de las cuales es la laguna de la "libertad de elección":la posibilidad de que algunos La variable clásica puede influir en la medición que un experimentador elige realizar en una partícula entrelazada, hacer que el resultado parezca correlacionado cuánticamente cuando en realidad no lo es.

El pasado mes de febrero el equipo del MIT y sus colegas limitaron significativamente el vacío legal de la libertad de elección, mediante el uso de luz estelar de 600 años para decidir qué propiedades de dos fotones entrelazados medir. Su experimento demostró que, si un mecanismo clásico causó las correlaciones que observaron, tendría que haberse puesto en marcha hace más de 600 años, antes de que la luz de las estrellas fuera emitida por primera vez y mucho antes de que se concibiera el experimento real.

Ahora, en un artículo publicado hoy en Cartas de revisión física , el mismo equipo ha extendido enormemente el caso del entrelazamiento cuántico y ha restringido aún más las opciones para la laguna de libertad de elección. Los investigadores utilizaron cuásares distantes, uno de los cuales emitió su luz hace 7.8 mil millones de años y el otro hace 12.2 mil millones de años, para determinar las medidas a realizar en pares de fotones entrelazados. Encontraron correlaciones entre más de 30, 000 pares de fotones, en un grado que excedió con creces el límite que Bell originalmente calculó para un mecanismo de base clásica.

"Si se está produciendo alguna conspiración para simular la mecánica cuántica mediante un mecanismo que en realidad es clásico, ese mecanismo habría tenido que comenzar sus operaciones, de alguna manera sabiendo exactamente cuándo, dónde, y cómo se iba a realizar este experimento, hace al menos 7.800 millones de años. Eso parece increíblemente inverosímil por lo que tenemos pruebas muy sólidas de que la mecánica cuántica es la explicación correcta, "dice el coautor Alan Guth, el profesor Victor F. Weisskopf de Física en el MIT.

"La Tierra tiene unos 4.500 millones de años, por lo que cualquier mecanismo alternativo, diferente de la mecánica cuántica, que podría haber producido nuestros resultados al explotar esta laguna legal, tendría que haber estado en su lugar mucho antes de que existiera un planeta Tierra, y mucho menos un MIT, "añade David Kaiser, el profesor Germeshausen de Historia de la Ciencia y profesor de física en el MIT. "Así que hemos empujado cualquier explicación alternativa a muy temprano en la historia cósmica".

Los coautores de Guth y Kaiser incluyen a Anton Zeilinger y miembros de su grupo en la Academia de Ciencias de Austria y la Universidad de Viena. así como físicos en Harvey Mudd College y la Universidad de California en San Diego.

Una decisión, hecho hace miles de millones de años

En 2014, Kaiser y dos miembros del equipo actual, Jason Gallicchio y Andrew Friedman, propuso un experimento para producir fotones entrelazados en la Tierra, un proceso que es bastante estándar en los estudios de mecánica cuántica. Planearon disparar a cada miembro de la pareja enredada en direcciones opuestas, hacia detectores de luz que también harían una medición de cada fotón usando un polarizador. Los investigadores medirían la polarización, u orientación, del campo eléctrico de cada fotón entrante, colocando el polarizador en varios ángulos y observando si los fotones lo atravesaron, un resultado para cada fotón que los investigadores podrían comparar para determinar si las partículas mostraban las correlaciones distintivas predichas por la mecánica cuántica.

El equipo agregó un paso único al experimento propuesto, que iba a utilizar la luz de la antigüedad, fuentes astronómicas distantes, como estrellas y cuásares, para determinar el ángulo en el que colocar cada polarizador respectivo. Mientras cada fotón entrelazado estaba en vuelo, dirigiéndose hacia su detector a la velocidad de la luz, los investigadores usarían un telescopio ubicado en cada sitio de detector para medir la longitud de onda de la luz entrante de un quásar. Si esa luz fuera más roja que alguna longitud de onda de referencia, el polarizador se inclinaría en un cierto ángulo para realizar una medición específica del fotón entrelazado entrante, una elección de medición que fue determinada por el cuásar. Si la luz del quásar fuera más azul que la longitud de onda de referencia, el polarizador se inclinaría en un ángulo diferente, realizando una medición diferente del fotón entrelazado.

En su experimento anterior, El equipo utilizó pequeños telescopios de patio trasero para medir la luz de las estrellas a una distancia de 600 años luz. En su nuevo estudio, los investigadores usaron mucho más grande, telescopios más potentes para captar la luz entrante de incluso más antiguos, Fuentes astrofísicas distantes:cuásares cuya luz ha viajado hacia la Tierra durante al menos 7.800 millones de años, objetos que están increíblemente lejos y, sin embargo, son tan luminosos que su luz se puede observar desde la Tierra.

Tiempo complicado

El 11 de enero 2018, "el reloj acababa de pasar de la medianoche, hora local, "como recuerda Kaiser, cuando alrededor de una docena de miembros del equipo se reunieron en la cima de una montaña en las Islas Canarias y comenzaron a recopilar datos de dos grandes, Telescopios de 4 metros de ancho:el Telescopio William Herschel y el Telescopio Nazionale Galileo, ambos situados en la misma montaña y separados por aproximadamente un kilómetro.

Un telescopio enfocado en un quásar en particular, mientras que el otro telescopio miraba otro quásar en un parche diferente del cielo nocturno. Mientras tanto, Los investigadores de una estación ubicada entre los dos telescopios crearon pares de fotones entrelazados y emitieron partículas de cada par en direcciones opuestas hacia cada telescopio.

En la fracción de segundo antes de que cada fotón entrelazado alcanzara su detector, la instrumentación determinó si un solo fotón que llegaba del quásar era más rojo o azul, una medida que luego ajusta automáticamente el ángulo de un polarizador que finalmente recibe y detecta el fotón entrelazado entrante.

"El momento es muy complicado, "Dice Kaiser." Todo tiene que suceder dentro de ventanas muy estrechas, actualizándose cada microsegundo más o menos ".

Desmitificando un espejismo

Los investigadores realizaron su experimento dos veces, cada uno durante unos 15 minutos y con dos pares diferentes de cuásares. Para cada carrera, midieron 17, 663 y 12, 420 pares de fotones entrelazados, respectivamente. A las pocas horas de cerrar las cúpulas del telescopio y revisar los datos preliminares, el equipo pudo decir que había fuertes correlaciones entre los pares de fotones, más allá del límite que Bell calculó, lo que indica que los fotones estaban correlacionados de una manera mecánica cuántica.

Guth dirigió un análisis más detallado para calcular la probabilidad, por leve que sea, que un mecanismo clásico podría haber producido las correlaciones que observó el equipo.

Calculó eso, para la mejor de las dos carreras, la probabilidad de que un mecanismo basado en la física clásica pudiera haber logrado la correlación observada era de aproximadamente 10 a menos 20, es decir, aproximadamente una parte en cien mil millones de billones, "escandalosamente pequeño, "Dice Guth. A modo de comparación, Los investigadores han estimado que la probabilidad de que el descubrimiento del bosón de Higgs fuera solo una casualidad es de una entre mil millones.

"Ciertamente hicimos que fuera increíblemente inverosímil que una teoría realista local pudiera estar subyacente a la física del universo, "Dice Guth.

Y todavía, todavía hay una pequeña abertura para la laguna de la libertad de elección. Para limitarlo aún más, el equipo tiene ideas de mirar aún más atrás en el tiempo, utilizar fuentes como los fotones de fondo de microondas cósmicos que se emitieron como radiación sobrante inmediatamente después del Big Bang, aunque tales experimentos presentarían una serie de nuevos desafíos técnicos.

"Es divertido pensar en nuevos tipos de experimentos que podemos diseñar en el futuro, pero por ahora, Estamos muy contentos de haber podido abordar esta laguna en particular de manera tan dramática. Nuestro experimento con cuásares impone restricciones extremadamente estrictas a varias alternativas a la mecánica cuántica. Por extraño que pueda parecer la mecánica cuántica, sigue coincidiendo con todas las pruebas experimentales que podemos diseñar, "Dice Kaiser.

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.