En la década de 1930, cuando los científicos, incluidos Albert Einstein y Erwin Schrödinger, descubrieron por primera vez el fenómeno del entrelazamiento, quedaron perplejos. El enredo, inquietantemente, requería que dos partículas separadas permanecieran conectadas sin estar en contacto directo. Einstein llamó al enredo "acción espeluznante a distancia", ya que las partículas parecían comunicarse más rápido que la velocidad de la luz.

Para explicar las extrañas implicaciones del entrelazamiento, Einstein, junto con Boris Podolsky y Nathan Rosen (EPR), argumentaron que las "variables ocultas" deberían agregarse a la mecánica cuántica para explicar el entrelazamiento y restaurar la "localidad" y la "causalidad" del comportamiento. de las partículas La localidad establece que los objetos solo están influenciados por su entorno inmediato. La causalidad establece que un efecto no puede ocurrir antes que su causa y que la señalización causal no puede propagarse más rápido que la velocidad de la luz. Niels Bohr cuestionó el argumento de EPR, mientras que Schrödinger y Wendell Furry, en respuesta a EPR, plantearon de forma independiente la hipótesis de que el entrelazamiento desaparece con la separación de partículas anchas.

Desafortunadamente, en ese momento no se disponía de evidencia experimental a favor o en contra del entrelazamiento cuántico de partículas muy separadas. Desde entonces, los experimentos han demostrado que el enredo es muy real y fundamental para la naturaleza. Además, ahora se ha demostrado que la mecánica cuántica funciona, no solo a distancias muy cortas sino también a distancias muy grandes. De hecho, el satélite de comunicaciones cifrado cuántico de China, Micius, se basa en el entrelazamiento cuántico entre fotones que están separados por miles de kilómetros.

El primero de estos experimentos fue propuesto y ejecutado por el ex alumno de Caltech John Clauser (BS '64) en 1969 y 1972, respectivamente. Sus hallazgos se basan en el teorema de Bell, ideado por el teórico del CERN John Bell. En 1964, Bell demostró irónicamente que el argumento de EPR en realidad conducía a la conclusión opuesta de lo que EPR había intentado mostrar originalmente. Bell demostró que el entrelazamiento cuántico es, de hecho, incompatible con la noción de localidad y causalidad de EPR.

En 1969, cuando todavía era estudiante de posgrado en la Universidad de Columbia, Clauser, junto con Michael Horne, Abner Shimony y Richard Holt, transformaron el teorema matemático de Bell de 1964 en una predicción experimental muy específica a través de lo que ahora se llama el método Clauser-Horne-Shimony-Holt. (CHSH) desigualdad (su artículo ha sido citado más de 8500 veces en Google Scholar). En 1972, cuando era investigador postdoctoral en UC Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Clauser y el estudiante graduado Stuart Freedman fueron los primeros en probar experimentalmente que dos partículas muy separadas (alrededor de 10 pies de distancia) se pueden enredar. Clauser pasó a realizar tres experimentos más probando los fundamentos de la mecánica cuántica y el entrelazamiento, y cada nuevo experimento confirmaba y ampliaba sus resultados. El experimento de Freedman-Clauser fue la primera prueba de la desigualdad CHSH. Ahora se ha probado experimentalmente cientos de veces en laboratorios de todo el mundo para confirmar que el entrelazamiento cuántico es real.

El trabajo de Clauser le valió el Premio Wolf 2010 en física. Lo compartió con Alain Aspect del Institut d'Optique y Ecole Polytechnique y Anton Zeilinger de la Universidad de Viena y la Academia de Ciencias de Austria "para una serie cada vez más sofisticada de pruebas de las desigualdades de Bell, o extensiones de las mismas, utilizando estados cuánticos entrelazados, " según la mención del premio.

Aquí, John Clauser responde preguntas sobre sus experimentos históricos.

Escuchamos que su idea de probar los principios del entrelazamiento no resultó atractiva para otros físicos. ¿Puedes contarnos más sobre eso?

En las décadas de 1960 y 1970, las pruebas experimentales de la mecánica cuántica eran impopulares en Caltech, Columbia, UC Berkeley y otros lugares. Mi facultad en Columbia me dijo que probar la física cuántica iba a destruir mi carrera. Mientras realizaba el experimento Freedman-Clauser de 1972 en UC Berkeley, Richard Feynman de Caltech se sintió muy ofendido por mi esfuerzo impertinente y me dijo que equivalía a profesar una incredulidad en la física cuántica. ¡Arrogantemente insistió en que la mecánica cuántica es obviamente correcta y no necesita más pruebas! Mi recepción en UC Berkeley fue tibia en el mejor de los casos y solo fue posible gracias a la amabilidad y tolerancia de los profesores Charlie Townes [Ph.D. '39, Premio Nobel '64] y Howard Shugart [BS '53], quienes me permitieron continuar mis experimentos allí.

En mi correspondencia con John Bell, expresó exactamente el sentimiento opuesto y me alentó fuertemente a hacer un experimento. El trabajo seminal de John Bell de 1964 sobre el teorema de Bell se publicó originalmente en la última edición de una revista poco conocida, Physics. , y en un periódico clandestino de física, Epistemological Letters . No fue hasta después de que el artículo de CHSH de 1969 y los resultados de Freedman-Clauser de 1972 se publicaron en Physical Review Letters que John Bell finalmente discutió abiertamente su trabajo. Era consciente del tabú de cuestionar los fundamentos de la mecánica cuántica y nunca lo había discutido con sus compañeros de trabajo del CERN.

¿Qué te hizo querer continuar con los experimentos de todos modos?

Parte de la razón por la que quería probar las ideas era porque todavía estaba tratando de entenderlas. Encontré que las predicciones de entrelazamiento eran lo suficientemente extrañas como para no poder aceptarlas sin ver pruebas experimentales. También reconocí la importancia fundamental de los experimentos y simplemente ignoré los consejos de carrera de mi facultad. Además, me estaba divirtiendo mucho haciendo física experimental muy desafiante con aparatos que construí principalmente usando restos del departamento de física. Antes de que Stu Freedman y yo hiciéramos el primer experimento, personalmente también pensé que la física de variables ocultas de Einstein podría ser correcta, y si lo es, entonces quería descubrirla. Las ideas de Einstein me parecieron muy claras. Encontré la de Bohr bastante turbia y difícil de entender.

¿Qué esperabas encontrar cuando hiciste los experimentos?

En verdad, realmente no sabía qué esperar excepto que finalmente determinaría quién tenía razón, si Bohr o Einstein. Es cierto que estaba apostando a favor de Einstein, pero en realidad no sabía quién iba a ganar. Es como ir al hipódromo. Puede esperar que cierto caballo gane, pero realmente no lo sabe hasta que se obtienen los resultados. En este caso, resultó que Einstein estaba equivocado. Siguiendo la tradición de Richard Feynman y Kip Thorne [BS '62] de Caltech, que hacían apuestas científicas, hice una apuesta con el físico cuántico Yakir Aharonov sobre el resultado del experimento Freedman-Clauser. Curiosamente, solo puso un dólar por mis dos. Perdí la apuesta y adjunté un billete de dos dólares y felicitaciones cuando le envié una preimpresión con nuestros resultados.

Me entristeció mucho ver que mi propio experimento había demostrado que Einstein estaba equivocado. Pero el experimento arrojó un resultado de 6,3 sigma en su contra [un resultado de cinco sigma o superior se considera el estándar de oro para la importancia en física]. Pero entonces el experimento competitivo de Dick Holt y Frank Pipkin en Harvard (nunca publicado) obtuvo el resultado opuesto. Me pregunté si tal vez había pasado por alto algún detalle importante. Fui solo a UC Berkeley para realizar tres pruebas experimentales más de mecánica cuántica. Todos arrojaron las mismas conclusiones. Bohr tenía razón y Einstein estaba equivocado. El resultado de Harvard no se repitió y fue defectuoso. Cuando me volví a conectar con mi facultad de Columbia, todos dijeron:"¡Te lo dijimos! Ahora deja de gastar dinero y haz algo de física real". En ese momento de mi carrera, el único valor de mi trabajo era que demostraba que yo era un físico experimental razonablemente talentoso. Solo ese hecho me consiguió un trabajo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore haciendo investigación de física de plasma de fusión controlada.

¿Puede ayudarnos a entender exactamente lo que mostraron sus experimentos?

Para aclarar lo que mostraban los experimentos, Mike Horne y yo formulamos lo que ahora se conoce como realismo local de Clauser-Horne [1974]. Posteriormente, John Bell y Abner Shimony ofrecieron contribuciones adicionales, por lo que quizás se llame más correctamente Bell-Clauser-Horne-Shimony Local Realism. El realismo local tuvo una vida muy corta como teoría viable. De hecho, fue refutado experimentalmente incluso antes de que fuera completamente formulado. No obstante, el realismo local es heurísticamente importante porque muestra en detalle lo que no es la mecánica cuántica.

El realismo local asume que la naturaleza se compone de cosas, de objetos objetivamente reales, i. ej., cosas que puedes poner dentro de una caja. (Una caja aquí es una superficie cerrada imaginaria que define volúmenes interiores y exteriores separados). Además, asume que los objetos existen, los observemos o no. De manera similar, se supone que se obtienen resultados experimentales definidos, los miremos o no. Puede que no sepamos qué es el material, pero asumimos que existe y que está distribuido por todo el espacio. Las cosas pueden evolucionar de manera determinista o estocástica. El realismo local asume que las cosas dentro de una caja tienen propiedades intrínsecas, y que cuando alguien realiza un experimento dentro de la caja, la probabilidad de obtener cualquier resultado está influenciada de alguna manera por las propiedades de las cosas dentro de esa caja. Si uno realiza, digamos, un experimento diferente con diferentes parámetros experimentales, entonces presumiblemente se obtiene un resultado diferente. Ahora supongamos que uno tiene dos cajas muy separadas, cada una de las cuales contiene cosas. El realismo local asume además que la elección de parámetros experimentales hecha en un cuadro no puede afectar el resultado experimental en el cuadro distante. Por lo tanto, el realismo local prohíbe la acción espeluznante a distancia. Refuerza la causalidad de Einstein que prohíbe cualquier causa y efecto no local. Sorprendentemente, esas suposiciones simples y muy razonables son suficientes por sí solas para permitir la derivación de una segunda predicción experimental importante que limita la correlación entre los resultados experimentales obtenidos en las casillas separadas. Esa predicción es la desigualdad de Clauser-Horne (CH) de 1974.

La derivación de la desigualdad CHSH de 1969 había requerido varios supuestos complementarios menores, a veces llamados "lagunas". La derivación de la desigualdad CH elimina esos supuestos complementarios y, por lo tanto, es más general. Existen sistemas entrelazados cuánticos que no están de acuerdo con la predicción de CH, por lo que el realismo local es susceptible de refutación experimental. Las desigualdades CHSH y CH se violan, no solo por el primer experimento de Freedman-Clauser de 1972 y mi segundo experimento de 1976, sino ahora por literalmente cientos de experimentos independientes de confirmación. Varios laboratorios ahora han enredado y violado la desigualdad CHSH con pares de fotones, pares de iones de berilio, pares de iones de iterbio, pares de átomos de rubidio, pares de nubes de átomos de rubidio completos, vacantes de nitrógeno en diamantes y qubits de fase Josephson.

Muchos investigadores consideraron que probar el realismo local y la desigualdad de CH era importante para eliminar las lagunas de CHSH. Por lo tanto, se realizó un esfuerzo considerable, ya que la tecnología de la óptica cuántica mejoró y permitió. Probar la desigualdad CH se había convertido en un desafío del santo grial para los experimentadores. La violación de la desigualdad CH finalmente se logró primero en 2013 y nuevamente en 2015 en dos laboratorios competidores:el grupo de Anton Zeilinger en la Universidad de Viena y el grupo de Paul Kwiat en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. ¡Los experimentos de 2015 involucraron a 56 investigadores! ¡El realismo local está ahora rotundamente refutado! El acuerdo entre los experimentos y la mecánica cuántica ahora prueba firmemente que el entrelazamiento cuántico no local es real.

¿Cuáles son algunas de las aplicaciones tecnológicas importantes de su trabajo?

Una aplicación de mi trabajo es al objeto más simple posible definido por el realismo local:un solo bit de información. El realismo local muestra que un solo bit de información mecánico cuántico, un "qubit", no siempre se puede localizar en una caja de espacio-tiempo. Este hecho proporciona la base fundamental de la teoría de la información cuántica y la criptografía cuántica. El programa de ciencia y tecnología cuántica de Caltech, la Iniciativa Nacional Cuántica de EE. UU. de $ 1.28 mil millones de 2019 y la Iniciativa Nacional Cuántica de Israel de $ 400 millones de 2019 se basan en la realidad del enredo. La configuración del sistema satelital de comunicaciones con cifrado cuántico chino Micius es casi idéntica a la del experimento Freedman-Clauser. Utiliza la desigualdad CHSH para verificar la persistencia del entrelazamiento a través del espacio exterior. + Explora más

Los investigadores demostraron la violación de la desigualdad de Bell en los pares de fotones entrelazados de contenedores de frecuencia