Los físicos nos acercan cada vez más a la computación cuántica y el cifrado con un nuevo experimento

El entrelazamiento cuántico sigue siendo uno de los campos de estudio más desafiantes para los físicos modernos.

Descrito por Einstein como “acción espeluznante a distancia”, los científicos han buscado durante mucho tiempo reconciliar cómo este aspecto de la mecánica cuántica puede coexistir con la mecánica clásica.

Esencialmente, el hecho de que dos partículas puedan conectarse a grandes distancias viola las reglas de la localidad y el realismo.

Formalmente, esto es una violación de la Desigualdad de Bell, una teoría que se ha utilizado durante décadas para demostrar que la localidad y el realismo son válidos a pesar de ser inconsistentes con la mecánica cuántica.

Sin embargo, en un estudio reciente, un equipo de investigadores de la Universidad Ludwig-Maximilian (LMU) y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Munich realizaron pruebas que una vez más violan la desigualdad de Bell y demuestra la existencia de los entrelazamientos.

Su estudio, titulado “Event-Ready Bell Test Using Entangled Atoms Simultaneously Closing Detection and Locality Loopholes”, fue publicado en Physical Review Letters.

Dirigido por Wenjamin Rosenfeld, un físico de LMU y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, el equipo buscó probar la desigualdad de Bell entrelazando dos partículas a distancia.

La desigualdad de Bell (nombrada en honor del físico irlandés John Bell, quien la propuso en 1964) establece esencialmente que las propiedades de los objetos existen independientemente de ser observadas (realismo), y ninguna información o influencia física puede propagarse más rápidamente que la velocidad de la luz.

Estas reglas describen perfectamente la realidad que los seres humanos experimentamos diariamente, donde las cosas están arraigadas en un espacio y tiempo particulares y existen independientemente de un observador.

Sin embargo, en el nivel cuántico, las cosas no parecen seguir estas reglas.

No sólo las partículas pueden conectarse de manera no local a grandes distancias (es decir, entrelazarse), pero también las propiedades de estas partículas no pueden definirse hasta que se miden.

Y aunque todos los experimentos han confirmado que las predicciones de la mecánica cuántica son correctas, algunos científicos han seguido argumentando que hay lagunas que permiten el realismo local.

Para abordar esto, el equipo de Munich realizó un experimento utilizando dos laboratorios en LMU.

Mientras que el primer laboratorio estaba ubicado en el sótano del departamento de física, el segundo estaba ubicado en el sótano del departamento de economía, a unos 400 metros de distancia.

En ambos laboratorios, los equipos capturaron un solo átomo de rubidio en una trampa tópica y luego comenzaron a excitarlos hasta que liberaron un solo fotón.

Como explicó el Dr. Wenjamin Rosenfeld en un comunicado de prensa del Max Planck Institute:

“Nuestras dos estaciones de observación funcionan independientemente y están equipadas con su propio láser y sistemas de control.

Debido a la distancia de 400 metros entre los laboratorios, la comunicación de uno a otro tomaría 1328 nanosegundos, lo cual es mucho más que la duración del proceso de medición.

Por lo tanto, ninguna información sobre la medición en un laboratorio puede utilizarse en el otro laboratorio. Así es como cerramos la escapatoria de la localidad”.

Una vez que los dos átomos de rubidio fueron excitados hasta el punto de liberar un fotón, los estados de spin de los átomos de rubidio y los estados de polarización de los fotones se entrelazaron efectivamente.

Los fotones fueron entonces acoplados en fibras ópticas y guiados a un montaje donde se llevaron a interferencia.

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Esto habría sido indicado por los giros de los dos átomos de rubidio atrapados, que estarían apuntando en la misma dirección (o en la dirección opuesta, dependiendo del tipo de entrelazamiento).

Lo que el equipo de Munich encontró fue que para la gran mayoría de los eventos, los átomos estaban en el mismo estado (o en el estado opuesto), y que sólo había seis desviaciones consistentes con la desigualdad de Bell.

Estos resultados también fueron estadísticamente más significativos que los obtenidos por un equipo de físicos holandeses en 2015.

Para el propósito de este estudio, el equipo holandés llevó a cabo experimentos utilizando electrones en diamantes en laboratorios separados a 1,3 km.

Al final, sus resultados (y otras pruebas recientes de la desigualdad de Bell) demostraron que el entrelazamiento cuántico es real, cerrando efectivamente la escapatoria del realismo local.

Como Wenjamin Rosenfeld explicó, las pruebas realizadas por su equipo también fueron más allá de estos otros experimentos abordando otro tema importante.

“Hemos sido capaces de determinar el estado de espín de los átomos muy rápido y muy eficientemente”, dijo.

“De esta manera cerramos una segunda brecha potencial: la suposición de que la violación observada es causada por una muestra incompleta de pares de átomos detectados”.

Al obtener la prueba de la violación de la desigualdad de Bell, los científicos no sólo están ayudando a resolver una incongruencia duradera entre la física clásica y cuántica.

También están abriendo la puerta a algunas posibilidades emocionantes.

Por ejemplo, durante años, los científicos han anticipado el desarrollo de procesadores cuánticos, que se basan en entrelazamientos para simular los ceros y los unos del código binario.

Las computadoras que dependen de la mecánica cuántica serían exponencialmente más rápidas que los microprocesadores convencionales, e inaugurarían una nueva era de investigación y desarrollo.

Los mismos principios se han propuesto para la ciberseguridad, donde el cifrado cuántico se utilizaría para cifrar la información, haciéndola invulnerable a los hackers que dependen de computadoras convencionales.

Por último, pero ciertamente no menos importante, está el concepto de Comunicaciones de Entrelzamientos Cuánticos, un método que nos permitiría transmitir información más rápidamente que la velocidad de la luz.

¡Imagínense las posibilidades de viajar y explorar el espacio si ya no estamos limitados por los límites de la comunicación relativista!

Einstein no estaba equivocado cuando caracterizó los entrelazamientos cuánticos como “acción espeluznante”.

De hecho, muchas de las implicaciones de este fenómeno siguen siendo tan aterradoras como fascinantes para los físicos.

Pero cuanto más nos acercamos a comprenderlo, más nos acercaremos a desarrollar una comprensión de cómo todas las fuerzas físicas conocidas del Universo encajan. Una teoría de todo!

Fuente: Universe Today