El año pasado, los físicos en el MIT, la Universidad de Viena y en otros lugares brindaron un fuerte apoyo para el enredo cuántico, la idea aparentemente lejana de que dos partículas, sin importar cuán distantes entre sí en el espacio y el tiempo, puedan estar inextricablemente unidas,de una manera que desafía las reglas de la física clásica.
Tome, por ejemplo, dos partículas ubicadas en los bordes opuestos del universo. Si están realmente enredadas, entonces, según la teoría de la mecánica cuántica, sus propiedades físicas deberían estar relacionadas de tal manera que cualquier medición realizada en una partícula debería instantáneamentetransmitir información sobre cualquier resultado de medición futuro de la otra partícula - correlaciones que Einstein vio escépticamente como "acción espeluznante a distancia"
En la década de 1960, el físico John Bell calculó un límite teórico más allá del cual tales correlaciones deben tener una explicación cuántica, en lugar de una clásica.
¿Pero qué pasaría si tales correlaciones fueran el resultado no del enredo cuántico, sino de alguna otra explicación oculta y clásica? Los físicos conocen tales "qué pasaría si" como lagunas para las pruebas de la desigualdad de Bell, la más obstinada de las cuales es el ""escapatoria de libertad de elección": la posibilidad de que alguna variable clásica oculta pueda influir en la medición que un experimentador elige realizar en una partícula enredada, haciendo que el resultado parezca cuánticamente correlacionado cuando en realidad no lo es.
El pasado febrero, el equipo del MIT y sus colegas restringieron significativamente la escapatoria de la libertad de elección, al usar luz estelar de 600 años para decidir qué propiedades de dos fotones enredados medir. Su experimento demostró que, si un mecanismo clásico causaba las correlacionesobservaron que tendría que haberse puesto en movimiento hace más de 600 años, antes de que se emitiera la luz de las estrellas 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 enredo cuántico y ha restringido aún más las opciones para la escapatoria de libertad de elección. Los investigadores utilizaron cuásares distantes, uno de los cuales emitió su luz hace 7.800 millones de años y el otro 12.200 millones de añoshace un tiempo, para determinar las medidas a realizar en pares de fotones enredados. Encontraron correlaciones entre más de 30,000 pares de fotones, en un grado que excedió con creces el límite que Bell calculó originalmente para un mecanismo de base clásica.
"Si está ocurriendo alguna conspiración para simular la mecánica cuántica mediante un mecanismo que es realmente 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, profesor de física Victor F. Weisskopf en el MIT.
"La Tierra tiene aproximadamente 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 escapatoria habría tenido que estar en funcionamiento mucho antes incluso de que hubiera un planeta Tierra, y mucho menos un MIT ", agrega David Kaiser, el Profesor de Historia de la Ciencia de Germeshausen y profesor de física en el MIT." Así que hemos retrasado cualquier explicación alternativa a principios de 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 el Harvey Mudd College y la Universidad de California en San Diego.
Una decisión, tomada hace miles de millones de años
En 2014, Kaiser y dos miembros del equipo actual, Jason Gallicchio y Andrew Friedman, propusieron un experimento para producir fotones enredados en la Tierra, un proceso que es bastante estándar en los estudios de mecánica cuántica. Planearon disparar a cada miembro delpar entrelazado 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, configurando el polarizador en varios ángulos y observando si los fotonespasó - 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 consistía en utilizar la luz de fuentes astronómicas antiguas y distantes, como estrellas y cuásares, para determinar el ángulo en el que establecer cada polarizador respectivo. Como cada fotón enredado estaba en vuelo, dirigiéndose hacia su detector a la velocidad de la luz, los investigadores usarían un telescopio ubicado en cada sitio del detector para medir la longitud de onda de la luz entrante de un cuásar. Si esa luz fuera más roja que alguna longitud de onda de referencia, el polarizador se inclinaría en cierto ángulo pararealice una medición específica del fotón enredado entrante, una opción de medición que fue determinada por el cuásar. Si la luz del cuásar fuera más azul que la longitud de onda de referencia, el polarizador se inclinaría en un ángulo diferente, realizando una medición diferente del fotón enredado.
En su experimento anterior, el equipo usó pequeños telescopios para medir la luz de las estrellas a una distancia de hasta 600 años luz de distancia. En su nuevo estudio, los investigadores usaron telescopios mucho más grandes y potentes para captar la luz entrante de una luz aún más antigua, 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 se puede observar su luz desde la Tierra.
sincronización difícil
El 11 de enero de 2018, "el reloj acababa de pasar la medianoche, hora local", como recuerda Kaiser, cuando cerca 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 4.de un metro 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 se enfocó en un quásar en particular, mientras que el otro telescopio miró a otro cuásar en un parche diferente del cielo nocturno. Mientras tanto, los investigadores de una estación ubicada entre los dos telescopios crearon pares de fotones enredados y partículas emitidas por cada par endirecciones opuestas hacia cada telescopio.
En la fracción de un segundo antes de que cada fotón enredado alcanzara su detector, la instrumentación determinó si un solo fotón que llegaba del quásar era más rojo o azul, una medida que luego ajustaba automáticamente el ángulo de un polarizador que finalmente recibía y detectabafotón enredado entrante
"El momento es muy complicado", dice Kaiser. "Todo tiene que suceder dentro de ventanas muy ajustadas, actualizando cada microsegundo más o menos".
Desmitificando un espejismo
Los investigadores realizaron su experimento dos veces, cada uno durante aproximadamente 15 minutos y con dos pares diferentes de cuásares. Para cada carrera, midieron 17,663 y 12,420 pares de fotones enredados, respectivamente. A las pocas horas de cerrar las cúpulas del telescopio y ver los datos preliminares., el equipo pudo notar 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 manera cuántica.
Guth dirigió un análisis más detallado para calcular la posibilidad, por pequeña que sea, de que un mecanismo clásico pudiera haber producido las correlaciones que observó el equipo.
Calculó que, para la mejor de las dos carreras, la probabilidad de que un mecanismo basado en la física clásica pudiera haber alcanzado 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. En comparación, los investigadores han estimado que la probabilidad de que el descubrimiento del bosón de Higgs sea solo una casualidad es de aproximadamente uno en mil millones.
"Ciertamente hicimos increíblemente inverosímil que una teoría realista local pudiera ser la base de la física del universo", dice Guth.
Y, sin embargo, todavía hay una pequeña abertura para la escapatoria de libertad de elección. Para limitarlo aún más, el equipo está entreteniendo ideas de mirar aún más atrás en el tiempo, para usar fuentes como fotones de fondo de microondas cósmicos que fueronemitido 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 escapatoria en particular de manera tan dramática. Nuestro experimento con los cuásares impone restricciones extremadamente estrictas en variosalternativas a la mecánica cuántica. Por extraño que parezca la mecánica cuántica, sigue coincidiendo con todas las pruebas experimentales que podemos idear ", dice Kaiser.
Esta investigación fue apoyada en parte por la Academia de Ciencias de Austria, el Fondo de Ciencia de Austria, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Y el Departamento de Energía de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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