Es posible que hayas o\u00eddo hablar de la luz como part\u00edculas y como ondas, pero \u00bfalguna 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 t\u00e9cnica innovadora que permite la visualizaci\u00f3n en tiempo real de la funci\u00f3n de onda de fotones entrelazados, los componentes fundamentales de la luz.<\/p>\n\n\n\n
La instant\u00e1nea de una danza cu\u00e1ntica Esta analog\u00eda, aunque no perfecta, capta la esencia del entrelazamiento cu\u00e1ntico. En esencia, el entrelazamiento cu\u00e1ntico se refiere al fen\u00f3meno en el que dos o m\u00e1s part\u00edculas se interconectan profundamente de tal manera que sus propiedades se correlacionan, independientemente de la separaci\u00f3n espacial entre ellas. Esto significa que el estado de una part\u00edcula influye instant\u00e1neamente en el estado de otra, incluso si est\u00e1n a a\u00f1os luz de distancia.<\/p>\n\n\n\n El entrelazamiento cu\u00e1ntico puede parecer sacado de ciencia ficci\u00f3n, pero es un fen\u00f3meno muy real que se ha observado en experimentos. Desaf\u00eda nuestra comprensi\u00f3n convencional de c\u00f3mo funciona el mundo y profundiza en el extra\u00f1o y maravilloso reino de la f\u00edsica cu\u00e1ntica, donde las part\u00edculas pueden estar en m\u00faltiples estados a la vez e influirse entre s\u00ed de maneras que desaf\u00edan nuestra intuici\u00f3n cotidiana.<\/p>\n\n\n\n Esta conexi\u00f3n instant\u00e1nea parece desafiar el l\u00edmite fundamental de velocidad de transferencia de informaci\u00f3n impuesto por la teor\u00eda de la relatividad de Einstein. De hecho, el concepto de entrelazamiento fue cuestionado por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen en un art\u00edculo de 1935 conocido como la paradoja EPR. Propusieron que el entrelazamiento era una descripci\u00f3n incompleta de la realidad f\u00edsica, afirmando que a la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica le deben faltar variables ocultas que determinan las propiedades de las part\u00edculas de forma independiente.<\/p>\n\n\n\n Sin embargo, experimentos posteriores, en particular las pruebas de Bell, demostraron que la paradoja EPR no pod\u00eda resolverse con variables ocultas cl\u00e1sicas. Los resultados de estos experimentos se alinearon con las predicciones cu\u00e1nticas, destacando la genuina naturaleza no local del entrelazamiento.<\/p>\n\n\n\n Las funciones de onda, cruciales en la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, pueden proporcionar informaci\u00f3n importante sobre el estado cu\u00e1ntico de una part\u00edcula. Si nos atenemos a la analog\u00eda del zapato, la “funci\u00f3n de onda” del zapato transporta informaci\u00f3n como talla, color, izquierda o derecha, etc. Pero en f\u00edsica cu\u00e1ntica, los cient\u00edficos suelen describir la funci\u00f3n de onda de una part\u00edcula en t\u00e9rminos de posici\u00f3n, velocidad, esp\u00edn y otras propiedades cu\u00e1nticas.<\/p>\n\n\n\n Holograf\u00eda: una nueva dimensi\u00f3n de la percepci\u00f3n cu\u00e1ntica En mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, cada dimensi\u00f3n representa una propiedad distinta que se puede medir, como la posici\u00f3n, el momento, el giro, etc. Cuando se trata de part\u00edculas entrelazadas o sistemas cu\u00e1nticos m\u00e1s complejos, el n\u00famero de dimensiones crece significativamente. Esto puede dar lugar a sistemas entrelazados que existen en un espacio de alta dimensi\u00f3n, donde las dimensiones corresponden a diversas propiedades de las part\u00edculas entrelazadas.<\/p>\n\n\n\n Experimentos anteriores que implicaban tomograf\u00eda cu\u00e1ntica para medir el estado cu\u00e1ntico de alta dimensi\u00f3n de dos fotones entrelazados podr\u00edan llevar horas o incluso d\u00edas. El proceso no s\u00f3lo lleva mucho tiempo, sino que la calidad de los resultados es cuestionable, especialmente en sistemas cada vez m\u00e1s complejos. Imag\u00ednese intentar reconstruir un objeto de grandes dimensiones a partir de sus sombras proyectadas en diferentes paredes. \u00c9se es el desaf\u00edo al que se enfrentan los cient\u00edficos cu\u00e1nticos cuando abordan la tomograf\u00eda cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n Pero \u00bfqu\u00e9 pasar\u00eda si en lugar de sombras tuvi\u00e9ramos hologramas? En la \u00f3ptica cl\u00e1sica, la holograf\u00eda digital crea una imagen tridimensional utilizando un \u00fanico interferograma, resultado de la interferencia de la luz. El equipo de investigadores dirigido por Ebrahim Karimi de la Universidad de Ottawa ampli\u00f3 este concepto al \u00e1mbito de los fotones entrelazados.<\/p>\n\n\n\n Para descubrir los secretos cu\u00e1nticos, los investigadores superpusieron los fotones entrelazados con un estado cu\u00e1ntico conocido. Observaron c\u00f3mo los fotones llegaban simult\u00e1neamente, creando la impresionante “imagen de coincidencia”. Es como capturar a dos bailarines en perfecta sincronizaci\u00f3n, congelados en el tiempo.<\/p>\n\n\n\n Este descubrimiento clave fue posible gracias a una c\u00e1mara de \u00faltima generaci\u00f3n con precisi\u00f3n de nanosegundos. Esta c\u00e1mara captur\u00f3 la llegada sincronizada de los fotones, revelando un intrincado patr\u00f3n de interferencia. Este patr\u00f3n, similar a una coreograf\u00eda fascinante, conten\u00eda la clave para reconstruir la elusiva funci\u00f3n de onda.<\/p>\n\n\n\n “Este m\u00e9todo es exponencialmente m\u00e1s r\u00e1pido que las t\u00e9cnicas anteriores y requiere s\u00f3lo minutos o segundos en lugar de d\u00edas. Es importante destacar que el tiempo de detecci\u00f3n no se ve influenciado por la complejidad del sistema, una soluci\u00f3n al desaf\u00edo de escalabilidad de larga data en la tomograf\u00eda proyectiva”, dijo el Dr. Alessio D’Errico, becario postdoctoral en la Universidad de Ottawa y uno de los coautores del art\u00edculo.<\/p>\n\n\n\n El entrelazamiento cu\u00e1ntico puede parecer un concepto abstracto, pero tiene profundas implicaciones pr\u00e1cticas. Los investigadores han aprovechado el entrelazamiento para la criptograf\u00eda cu\u00e1ntica, un m\u00e9todo de comunicaci\u00f3n segura basado en los principios de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica. Esta tecnolog\u00eda permite la transmisi\u00f3n de claves criptogr\u00e1ficas que son inherentemente seguras, ya que cualquier intento de escucha interrumpir\u00eda el entrelazamiento y ser\u00eda detectable.<\/p>\n\n\n\n El entrelazamiento tambi\u00e9n juega un papel fundamental en la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, un campo que promete resolver problemas complejos m\u00e1s all\u00e1 de las capacidades de las computadoras cl\u00e1sicas. Los bits cu\u00e1nticos (qubits), que pueden estar en estados entrelazados, permiten un c\u00e1lculo exponencialmente m\u00e1s r\u00e1pido debido a su capacidad de existir en m\u00faltiples estados simult\u00e1neamente.<\/p>\n\n\n\n Como tal, los hallazgos a\u00f1aden una nueva capa de comprensi\u00f3n sobre las funciones de las ondas cu\u00e1nticas que podr\u00edan hacer que las computadoras cu\u00e1nticas y otras aplicaciones sean m\u00e1s estables. Este m\u00e9todo tambi\u00e9n puede conducir al desarrollo de nuevas t\u00e9cnicas de im\u00e1genes cu\u00e1nticas.<\/p>\n\n\n\n Los hallazgos aparecieron en la revista\u00a0Nature Photonics<\/a>.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Imagina elegir un zapato al azar de un par. Si es un zapato “izquierdo”, inmediatamente sabr\u00e1s que el otro zapato que a\u00fan no has desempaquetado debe ir en tu pie derecho. Esta informaci\u00f3n instant\u00e1nea es segura si la caja de zapatos est\u00e1 al alcance de la mano o a 4,3 a\u00f1os luz de distancia en alg\u00fan planeta del sistema Alpha Centauri.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Como puedes imaginar, determinar la funci\u00f3n de onda de un sistema cu\u00e1ntico no es una tarea trivial. Este proceso, conocido como tomograf\u00eda cu\u00e1ntica, normalmente implica mediciones engorrosas que introducen “dimensionalidad”, el n\u00famero de propiedades o caracter\u00edsticas distintas que un sistema cu\u00e1ntico puede poseer y medir.<\/p>\n\n\n\n