Es posible que hayas oído hablar de la luz como partículas y como ondas, pero ¿alguna vez has imaginado la danza secreta que hay en su interior? Investigadores de la Universidad de Ottawa y la Universidad Sapienza de Roma acaban de descubrir una técnica innovadora que permite la visualización en tiempo real de la función de onda de fotones entrelazados, los componentes fundamentales de la luz.
La instantánea de una danza cuántica
Imagina elegir un zapato al azar de un par. Si es un zapato “izquierdo”, inmediatamente sabrás que el otro zapato que aún no has desempaquetado debe ir en tu pie derecho. Esta información instantánea es segura si la caja de zapatos está al alcance de la mano o a 4,3 años luz de distancia en algún planeta del sistema Alpha Centauri.
Esta analogía, aunque no perfecta, capta la esencia del entrelazamiento cuántico. En esencia, el entrelazamiento cuántico se refiere al fenómeno en el que dos o más partículas se interconectan profundamente de tal manera que sus propiedades se correlacionan, independientemente de la separación espacial entre ellas. Esto significa que el estado de una partícula influye instantáneamente en el estado de otra, incluso si están a años luz de distancia.
El entrelazamiento cuántico puede parecer sacado de ciencia ficción, pero es un fenómeno muy real que se ha observado en experimentos. Desafía nuestra comprensión convencional de cómo funciona el mundo y profundiza en el extraño y maravilloso reino de la física cuántica, donde las partículas pueden estar en múltiples estados a la vez e influirse entre sí de maneras que desafían nuestra intuición cotidiana.
Esta conexión instantánea parece desafiar el límite fundamental de velocidad de transferencia de información impuesto por la teoría de la relatividad de Einstein. De hecho, el concepto de entrelazamiento fue cuestionado por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen en un artículo de 1935 conocido como la paradoja EPR. Propusieron que el entrelazamiento era una descripción incompleta de la realidad física, afirmando que a la mecánica cuántica le deben faltar variables ocultas que determinan las propiedades de las partículas de forma independiente.
Sin embargo, experimentos posteriores, en particular las pruebas de Bell, demostraron que la paradoja EPR no podía resolverse con variables ocultas clásicas. Los resultados de estos experimentos se alinearon con las predicciones cuánticas, destacando la genuina naturaleza no local del entrelazamiento.
Las funciones de onda, cruciales en la mecánica cuántica, pueden proporcionar información importante sobre el estado cuántico de una partícula. Si nos atenemos a la analogía del zapato, la “función de onda” del zapato transporta información como talla, color, izquierda o derecha, etc. Pero en física cuántica, los científicos suelen describir la función de onda de una partícula en términos de posición, velocidad, espín y otras propiedades cuánticas.
Holografía: una nueva dimensión de la percepción cuántica
Como puedes imaginar, determinar la función de onda de un sistema cuántico no es una tarea trivial. Este proceso, conocido como tomografía cuántica, normalmente implica mediciones engorrosas que introducen “dimensionalidad”, el número de propiedades o características distintas que un sistema cuántico puede poseer y medir.
En mecánica cuántica, cada dimensión representa una propiedad distinta que se puede medir, como la posición, el momento, el giro, etc. Cuando se trata de partículas entrelazadas o sistemas cuánticos más complejos, el número de dimensiones crece significativamente. Esto puede dar lugar a sistemas entrelazados que existen en un espacio de alta dimensión, donde las dimensiones corresponden a diversas propiedades de las partículas entrelazadas.
Experimentos anteriores que implicaban tomografía cuántica para medir el estado cuántico de alta dimensión de dos fotones entrelazados podrían llevar horas o incluso días. El proceso no sólo lleva mucho tiempo, sino que la calidad de los resultados es cuestionable, especialmente en sistemas cada vez más complejos. Imagínese intentar reconstruir un objeto de grandes dimensiones a partir de sus sombras proyectadas en diferentes paredes. Ése es el desafío al que se enfrentan los científicos cuánticos cuando abordan la tomografía cuántica.
Pero ¿qué pasaría si en lugar de sombras tuviéramos hologramas? En la óptica clásica, la holografía digital crea una imagen tridimensional utilizando un único interferograma, resultado de la interferencia de la luz. El equipo de investigadores dirigido por Ebrahim Karimi de la Universidad de Ottawa amplió este concepto al ámbito de los fotones entrelazados.
Para descubrir los secretos cuánticos, los investigadores superpusieron los fotones entrelazados con un estado cuántico conocido. Observaron cómo los fotones llegaban simultáneamente, creando la impresionante “imagen de coincidencia”. Es como capturar a dos bailarines en perfecta sincronización, congelados en el tiempo.
Este descubrimiento clave fue posible gracias a una cámara de última generación con precisión de nanosegundos. Esta cámara capturó la llegada sincronizada de los fotones, revelando un intrincado patrón de interferencia. Este patrón, similar a una coreografía fascinante, contenía la clave para reconstruir la elusiva función de onda.
“Este método es exponencialmente más rápido que las técnicas anteriores y requiere sólo minutos o segundos en lugar de días. Es importante destacar que el tiempo de detección no se ve influenciado por la complejidad del sistema, una solución al desafío de escalabilidad de larga data en la tomografía proyectiva”, dijo el Dr. Alessio D’Errico, becario postdoctoral en la Universidad de Ottawa y uno de los coautores del artículo.
El entrelazamiento cuántico puede parecer un concepto abstracto, pero tiene profundas implicaciones prácticas. Los investigadores han aprovechado el entrelazamiento para la criptografía cuántica, un método de comunicación segura basado en los principios de la mecánica cuántica. Esta tecnología permite la transmisión de claves criptográficas que son inherentemente seguras, ya que cualquier intento de escucha interrumpiría el entrelazamiento y sería detectable.
El entrelazamiento también juega un papel fundamental en la computación cuántica, un campo que promete resolver problemas complejos más allá de las capacidades de las computadoras clásicas. Los bits cuánticos (qubits), que pueden estar en estados entrelazados, permiten un cálculo exponencialmente más rápido debido a su capacidad de existir en múltiples estados simultáneamente.
Como tal, los hallazgos añaden una nueva capa de comprensión sobre las funciones de las ondas cuánticas que podrían hacer que las computadoras cuánticas y otras aplicaciones sean más estables. Este método también puede conducir al desarrollo de nuevas técnicas de imágenes cuánticas.
Los hallazgos aparecieron en la revista Nature Photonics.
Fuente: ZME Science.
