Cuando Rupert Ursin estaba de pie en la oscuridad en el punto más alto de La Palma en las Islas Canarias le resultaba aterrador."Realmente da miedo", dice. La oscuridad extendiéndose hacia el océano Atlántico a unos 15 kilómetros de distancia era menos importante que el enorme desafío técnico por delante -y tal vez un poco a causa de los fantasmas que él estaba tratando de poner a descansar en paz.
Ursin y sus colegas del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica en Viena, Austria, estaban allí esa noche para ver si podían emitir un haz de fotones de luz a la apertura de 1 metro de un telescopio en la isla de Tenerife, a 144 kilómetros de distancia .Incluso en un buen día, cuando Teide, un pico volcánico de Tenerife, es claramente visible desde La Palma, eso sería una hazaña de precisión alucinante. Intentarlo en la oscuridad parecía absurdo."Por la noche no sé sabe dónde la otra isla está", dice Ursin. "Usted se pierde; no tienes idea de lo qué haces"
Durante el día, sin embargo, millones y millones de fotones zumbando alrededor habrían hecho el experimento imposible. Y así, en las noches sin luna, los investigadores apagarían las luces en su laboratorio y se deslizarían afuera a un cielo nocturno iluminado sólo por la Vía Láctea.
¿Para qué? Para tratar de resolver uno de los debates de más larga duración en la física moderna. Para disponer de otra ambigüedad en nuestra comprensión básica de como la naturaleza funciona. Para responder a una de las preguntas más fundamentales de todas: es la realidad cuántica real? .
fig nº 1, seguimiento del láser en el observatorio de Tenerife.Crédito.(Imágen: Rupert Ursin)
fig nº 2 ,el experimento de las islas Canarias ayuda a cerrar posibles brechas en experimentos diseñados para mostrar (si la propiedad de entrelazamiento de la mecánica cuántica o si una acción fantasmal a distancia) realmente existen en la naturaleza.Crédito.: Rupert Ursin.
Fué a mediados de 1920 que dos grandes bestias de la física moderna, Niels Bohr y Albert Einstein (ver "duelistas cuánticos" al final del artículo), fueron los primeros en abordar esta cuestión . Para entonces ya había quedado claro que la física clásica no podía explicar una letanía de los fenómenos de pequeña escala, por ejemplo, cómo la luz interactúa con la materia, o por qué los electrones orbitán y no se mueven en espiral hacia el interior estrellándose en el núcleo atómico.
La nueva teoría de la mecánica cuántica, era una píldora amarga de tragar. Atrás quedaban las viejas certezas y hacia abajo las relaciones directas entre la causa y el efecto del mecanismo de relojería, del universo newtoniano. En su lugar estaba un mundo poblado por partículas difusas que eran al mismo tiempo ondas , que se influenciaban entre sí, sin aparentemente razón, y que al parecer podrían existir en muchos estados a la vez hasta que la atenta mirada de un observador las perturbara a ellas.
Para Bohr, si no hemos podido conseguir utilizar nuestras cabezas alrededor de eso entonces, el problema reside en nuestras cabezas, no con la mecánica cuántica. Desagradable, como ella podría ser a nuestro cerebro en sintonía con lo clásico, la teoría era una descripción completa y fundamental de cómo funcionaba el mundo.
Einstein no estaba de acuerdo. Pensó que la rareza de la mecánica cuántica implicaba que a la teoría le faltaba algo. Se convenció de que una capa más profunda de la realidad se escondía debajo de su superficie, la cual se regía por unas aún sin descubrir "variables ocultas" que funcionaban de acuerdo a las reglas conocidas de la física clásica (véase el "mundo oculto de Einstein" al final del artículo) . EL debate entre Bohr y Einstein continuó-con firmeza, decoro y sin respuesta definitiva durante décadas. No fue sino hasta 1964, después de que ambos hombres habían muerto, que el primer indicio de una resolución apareció. Llegó por cortesía de John Bell, un investigador de 36 años de edad, en el laboratorio europeo de física de partículas del CERN, cerca de Ginebra, Suiza. Su idea era que los casi argumentos filosóficos de Bohr y Einstein podían ser reformulados matemáticamente.
Bell comenzó por considerar que las partículas están correlacionadas, en el sentido de que la medición de las propiedades de una le dice a usted las propiedades de las demás. La existencia de tales correlaciones no es en sí sorprendente: si las leyes tales como la conservación de la energía o momento se cumplen, esperaríamos que las propiedades tales como la velocidad o la posición de las partículas emitidas por la misma fuente, al mismo tiempo estarían relacionadas. Sin embargo, Bell obtuvo una expresión matemática, llamada la desigualdad, para describir la cantidad máxima de correlación posible si dos condiciones estimadas a nuestras intuición clásica, pero al parecer violadas por la mecánica cuántica,mantienen: el realismo y el localismo. Realismo encarna la idea de que cualquier propiedad medible de un objeto existe en todo momento, y su valor no depende de alguien observándolo. El localismo supone que estas propiedades sólo se ven afectadas por las cosas cercanas, y no pueden ser influenciadas por nada remoto.
Aquí, entonces, estaba una prueba para que los físicos metieran sus dientes adentro. Todo lo que se necesitaba era un experimento para medir qué tan entrelazadas dos partículas de la misma fuente estaban. Si sus correlaciones violaban la desigualdad de Bell por una cantidad significativa, entonces, el realismo, el localismo o ambos habían fallado, y la rareza de la mecánica cuántica realmente existe: las partículas estaban de alguna manera misteriosamente "enredadas". Sin embargo si la desigualdad de Bell era satisfecha,entonces , alguna cosa real, local y clásica estaba tirando de las cuerdas: las variables ocultas de Einstein, por ejemplo.
Oportunamente, la realidad era algo más compleja. Resultó difícil poner en práctica las condiciones ideales necesarias para probar la desigualdad de Bell, y todos los experimentos se mostraron no concluyentes.
Entonces, a principios de 1970, un joven estudiante francés llamado Alain Aspect entró en escena. Él acababa de terminar su servicio militar obligatorio como profesor en Camerún y estaba ideando un tema de doctorado. Casualmente el papel de Bell y la historia del debate entre Bohr y Einstein, lo tenían entusiasmado. "Fue la cosa más emocionante para un experimentalista el de probar quién tenía la razón", dice Aspect , ahora en el Instituto de Óptica en Palaiseau, Francia.
Así Aspect visitó a Bell en busca de su bendición. Bell advirtió a Aspect que muchos consideran la investigación de las raíces de la realidad cuántica "chifladuras de la física ", y le preguntó si él había asegurado un trabajo. "Yo lo hice. era pequeño, pero era permanente", dice Aspect . "No podían despedirme." Esa seguridad permitió a Aspect embarcarse en una búsqueda de siete años para averiguar quién estaba en lo cierto: Bohr o Einstein.
Los experimentos de Aspect ampliamente siguieron un patrón establecido en las pruebas anteriores de la desigualdad de Bell.Los átomos fueron estimulados en primer lugar para emitir pares de fotones que estuvieran correlacionados en sus estados de polarización.Estas polarizaciones se midieron en dos detectores separados, los cuales son, por convención, mantenidos por dos personajes ficticios llamados Alice y Bob (ver fig nº 3).
fig nº 3 si la teoría cuántica es correcta dos fotones emitidos desde una misma fuente al mismo tiempo estarán en dos estados de polarización a la vez permitiéndo la medición de uno para influenciar la medición del otro.Crédito.Rupert Ursin.
Eso depende de la medición de un gran número de pares de fotones para obtener resultados estadísticamente significativos.Por aquel tiempo Aspect junto con sus estudiantes Philippe Grangier y Jean Dalibard, estaban listos para llevar a cabo sus pruebas definitivas, los avances en la tecnología láser estaban haciendo esto una tarea más fácil. "En 1980, tenía, por mucho, la mejor fuente de fotones entrelazados en el mundo", dice Aspect . Considerando que previamente se habían tomado horas o incluso días para obtener el número de fotones necesarios, que ahora podrían obtener en sólo 1 minuto.
Todavía era un trabajo concienzudo. Pero en 1982 los investigadores tuvieron la réplica más convincente en el debate de la realidad cuántica. No había duda de los resultados. Bohr tenía la razón: la desigualdad de Bell fue violada (ver aquí). El mundo es tan raro como la teoría cuántica dice que es. "Fue emocionante", dice Aspect .
Pero quedaron dudas molestas fué este el fin de la historia? No, es un poco de ella. Los experimentos son rara vez totalmente concluyente, y sin duda influenciados por las dudas de Einstein dada su reputación pequeñas dudas permanecieron siendo que tal vez la naturaleza había engañado a los experimentadores en el pensamiento de que la teoría cuántica es la respuesta verdadera.Incluso si las correlaciones medidas superaban el máximo de Bell, habían suficiente lagunas en los experimentos para dejar un margen de maniobra para que algo adicional a la mecánica cuántica pudiera ser la causa.
"La cuestión de si la naturaleza es local, realista o mecánico cuántica-es tan profunda y tan importante que debemos tratar de hacer estos experimentos tan limpiamente y libres de brechas o lagunas como sea posible", dijo Johannes Kofler, un teórico con el equipo de Viena."Es realmente todo acerca de descartar teorías de la conspiración de la naturaleza en contra de nosotros."
Los experimentos de Aspect ya habían hecho un excelente trabajo para tratar de cerrar una brecha que Bell había señalado - la brecha de la localidad. A menos que los detectores utilizados por Alice y Bob estén lo suficientemente separados para impedir la comunicación entre ellos a la velocidad de la luz o por debajo, alguna influencia podría propagarse a través de una capa oculta de la realidad, diciendo al detector de Alice el resultado de la medición de Bob antes de que ella ejecute su propia medición, digamos, y tal vez incluso jugueteando con los ajustes de su detector para cambiar el resultado. "Si usted permite esa comunicación, sería fácil de violar la desigualdad de Bell en el realismo local", dijo Kofler.
La fuente altamente eficiente de los fotones entrelazados y la óptica superior utilizados por Aspect han permitido a su equipo el separar a Alice y Bob en alrededor de 6 metros. Eso les dió tiempo suficiente para cambiar la configuración de los detectores después de que los fotones habían dejado la fuente, con la esperanza de obstaculizar cualquier intento de un canal de comunicación oculto para emboscar el experimento (ver aquí).
Eso fue astuto, muy astuto, pero no suficiente. El equipo tenía sólo nanosegundos para cambiar la configuración de los detectores ", lo cual no era suficiente tiempo para cambiarlos de forma aleatoria.En su lugar, tuvieron que utilizar un patrón predecible y periódico.Si algún canal oculto existía, entonces, con el tiempo los detectores utilizados por Alice y Bob podrían calcular los ajustes del otro y de nuevo dañar el experimento.
Para cortar ese tipo de cosas en el brote, en 1998 Gregor Weihs, Anton Zeilinger y sus colegas extendieron a Alice y Bob a 400 metros de distancia sobre los campos de la universidad de Innsbruck,en Austria, utilizando fibras ópticas para conectar a los detectores a una fuente de fotones colocado entre los dos. Eso les dió alrededor de 1,3 microsegundos de gracia después de que los fotones se emitieran para cambiar la configuración del detector al azar.Para cerrar la brecha de la localidad y ponerla aún más estrecha, los relojes atómicos aseguraron que las mediciones de Alice y Bob se hicieran dentro de los 5 nanosegundos de cada uno- lo suficientemente rápido como para evitar que un mensaje oculto fuera tranferido.El ensayo demostró violaciónes claras de la desigualdad de Bell (ver aquí).Por lo tanto la mecánica cuántica reinó suprema.
Y sin embargo, todavía no era una respuesta final. A medida que la brecha de la localidad fué cerrada, la atención se desvió a otras lagunas o brechas. Una de ellas fué la brecha en la imparcial toma de muestras, o la detección.Los detectores de fotones utilizados en todos los experimentos fueron ineficientes y muestreaban sólo una pequeña fracción de los fotones enviados por la fuente. ¿Qué pasa si sólo un pequeño subconjunto de los fotones eran lo suficientemente correlacionados para violar la desigualdad de Bell, y los detectores justo los muestrearon a ellos? Inverosímil, tal vez, pero no imposible.
Esta brecha se cerró por primera vez en el 2001 por un grupo liderado por David Wineland en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado. En lugar de fotones, los investigadores entrelazaron un par de iones de berilio, cada uno de los cuales podría existir en una superposición mecánico-cuántica de dos estados de energía. Dependiendo sobre cual estado se encontraba un ión, el se dispersaba en muchos o muy pocos fotones. Al sondear los iones con un láser y medir la variación en el conteo de fotones, los estados de los iones podrían ser determinados con casi el 100 por ciento de eficiencia (ver aquí).
Una vez más, las correlaciones encontradas entre los estados de los iones de berilio "eran mucho mayores de lo que podría explicarse por alguna cosa diferente que la mecánica cuántica. Pero esto también viene con una advertencia: en el punto de medición, los iones estaban a sólo 3 micras de distancia. A pesar de que la brecha de la detección fue cerrada, la brecha de la localidad permaneció abierta.
Además, había otra brecha sutil para ser considerada. Las pruebas de la desigualdad de Bell generalmente asumen que los investigadores tienen la libertad de elegir la configuración de sus detectores. Pero lo hacen? ¿Qué pasa si la fuente de las partículas tiene una manera de influir en la configuración de los detectores utilizados por Alice y Bob, de nuevo a través de alguna capa oculta de la realidad? Mediante la explotación de esta brecha de "libertad de elección" la fuente podría emitir fotones que imitaban el entrelazamiento de la mecánica cuántica.
Esto nos lleva a las Islas Canarias como se mencionó al comienzo del artículo. El objetivo de disparar fotones desde La Palma a Tenerife, un experimento que combina la experiencia de Ursin, Kofler, Zeilinger y otros-fué el de cerrar la brecha o laguna de la "libertad de elección", mientras que se mantiene la brecha de la localidad bien cerrada. Mientras un fotón entrelazado fué transmitido sobre el Atlántico a Bob en 479 microsegundos, el otro era transmitido 6 kilómetros por una fibra óptica hasta Alice, llegando a ella en 29,6 microsegundos. Generadores de números aleatorios activaron los ajustes del detector para Alice y Bob, una vez que los fotones estaban en tránsito (ver fig nº 2).
Para garantizar la libertad de elección de Alice, su generador de números aleatorios se mantuvo a 1,2 kilometros de distancia de la fuente de fotones, y la generación de números aleatorios y emisión de pares de fotones fueron cronometrados para que uno no pudiera influenciar en el otro. En Tenerife, el generador de números al azar eligió la configuración para el detector de Bob antes de la llegada de fotones de La Palma, asegurando que la fuente no podría influir en la elección de Bob-suponiendo de que no hay influencia que viaje más rápido que un fotón.
¿El resultado? Una vez más, el experimento viola espectacularmente la desigualdad de Bell (ver aquí).
Con ello, las tres brechas principales-localidad, justo muestreo y la libertad de elección-al parecer han sido cerradas. ¿El debate entre Einstein y Bohr finalmente se ha resuelto, a favor de Bohr?
Tal vez. Mientras que algunos están manteniéndo cosas interesantes por descubrir con cada vez más matizada brechas(véase "El colapso de la realidad" al final del artículo), observadores demasiado escrupulosos cuentan que todavía no se ha diseñado un experimento que cierre las tres lagunas principales de forma simultánea. Paul Kwiat y el premio Nobel Anthony Leggett, ambos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, están al frente de un equipo para intentar eso.Usando una fuente de luz potente, generadores de números aleatorios vertiginosamente rápidos y detectores de alta eficiencia, esperan crear una prueba libre de lagunas o brechas.
Leggett no espera ninguna sorpresa. "Sería realmente una clase muy rara de conspiración de la naturaleza si todo había trabajado bién cuando se cerraron dos de las tres brechas en un experimento, y luego cuando se cierren tres al mismo tiempo, las cosas vayan mal", dice.
Más provocadora es la cuestión de si en realidad estamos en libertad para cerrar la brecha de la "libre elección". ¿Qué pasa si vivimos en un mundo completamente determinista, donde incluso el resultado de un generador cuántico de números aleatorios está condenado de antemano? Eso nos convierte en meros peones en un juego mayor. "Si el universo funciona de manera determinista, no hay nada que se pueda hacer como un experimentalista," dice Kofler.
Pero para la gran mayoría de los físicos lo cual no es la principal preocupación, dice Leggett. El punto es que una teoría de variables ocultas locales-realista, como era preferida por Einstein, no es una viable descripción de la naturaleza. Mientras que la mecánica cuántica puede no ser la última palabra,pero sin duda es la mejor descripción de la realidad que tenemos ahora.
Así, Einstein estaba equivocado? Ese es el punto que falta, dice Zeilinger. "Sí, Einstein estaba equivocado acerca de la realidad", dice. " Me gustaría mucho escuchar sus comentarios sobre la situación si estuviera vivo." Pero nos obliga a examinar las bases de la mecánica cuántica muy de cerca, dice Zeilinger, las preocupaciones de Einstein nos han entregado una teoría que, sin embargo a pesar de ser extraña, es la mejor enraizada a la realidad que cualquiera que le precedió.
La motivación suficiente para las noches oscuras en la cima de La Palma, explorándo un horizonte negro en busca de un distante objetivo de fotones ,es que si los fantasmas de Bohr y Einstein hubieran estado rondando aquellas vigilias iluminadas por las estrellas, entonces ellos dos habrían tenido motivo de una calmante satisfacción: Bohr porque los investigadores han confirmado una vez más su visión del mundo;y Einstein al estar seguro de que se habían tomado todos los caminos hasta la cumbre.
El mundo oculto de Einstein.
Einstein no estaba convencido por la teoría cuántica, y en 1935 salió al aire sus inquietudes en un documento escrito con dos jóvenes físicos, Boris Podolsky y Nathan Rosen, llamado "¿Puede la descripción mecánico-cuántica de la realidad física ser considerada completa?" (ver aquí).
En ella, se formuló lo que llegó a ser conocido como la paradoja EPR. Para que una teoría sea completa, el trío argumentó, que ella debe describir cada elemento de la realidad física. Si un objeto en movimiento por ejemplo tiene una posición y momento , la teoría debe incluir elementos, o "variables", que le diga a usted sus valores.
Si bien esto funciona cuando se habla por ejemplo de coches, en el minúsculo mundo cuántico las cosas no son tan sencillas. De acuerdo con el notorio principio de incertidumbre establecido por Werner Heisenberg en 1927 sólo se puede extraer un valor exacto de la posición de una partícula cuando el momento se desconoce, y viceversa. Esto, dijo Einstein, lleva a una de dos conclusiones: o bien la posición y el momento no existen simultáneamente, o la mecánica cuántica como una descripción de la realidad es incompleta.
Una explosión que envía dos piezas de metralla disparadas en direcciones opuestas se explica fácilmente por la física clásica. Hay una conexión fácil de verificar entre los fragmentos la velocidad, la dirección y la masa, que se fijan en el momento de la explosión de acuerdo a la ley de conservación del momento.
Una situación similar en la mecánica cuántica, en cambio, es más problemática. Imaginen una partícula en reposo desintegrándose en dos partículas que se disparan en direcciones diferentes. De acuerdo con el tipo de interpretación de la física cuántica favorecida por Niels Bohr y otros pioneros de la teoría cuántica, las propiedades de partículas no están claramente definidas hasta que se midan. Sin embargo, midiéndo la posición o momento de una partícula de inmediato se fija la posición o momento de la otra en otra parte del espacio, a pesar de que era previamente indefinida. ¿Cómo este cambio en el estado puede ser comunicado de inmediato a través del espacio?
No, dijo Einstein, a través de alguna "acción fantasmal a distancia", como se deduce por la mecánica cuántica. En su lugar, cree que debe haber un elemento de una teoría subyacente-unas "variables ocultas" - que establecen los resultados de las mediciones de antemano, tanto como la conservación del momento establece los resultados de las mediciones de los fragmentos de metralla en el caso clásico. La mecánica cuántica tal como se formula debe ser una descripción incompleta de la realidad, concluyó.
duelistas cuánticos.
En su annus mirabilis de 1905, Einstein no sólo propuso su teoría de la relatividad especial y la equivalencia masa-energía con la ecuación E = mc2, sino también se convirtió en la primera persona en atribuir una realidad física a la cuántica, un concepto introducido por Max Planck cinco años antes.
Einstein describió la liberación de electrones desde la superficie de un metal iluminado el llamado efecto fotoeléctrico en términos de la acción de paquetes pequeños, discretos de energía de la luz: los fotones. Fué por esta idea que recibió el premio Nobel de Física en 1921.
En 1913, Bohr utiliza el principio de cuantificación para postular que los electrones en los átomos sólo pueden existir en estados discretos de energía , y así se explicó el espectro de la luz emitida por un átomo de hidrógeno. Este trabajo le garantizó que siguiera a Einstein con el premio Nobel de Física en 1922.
Bohr pasó a desarrollar el principio de la complementariedad, la piedra angular de la dominante “interpretación de "Copenhague" de la teoría cuántica. Esta indica que el mundo cuántico es a la vez onda y partícula , y es el acto de la medición el que hace que se muestre una cara u otra.
colapso de la realidad.
A pesar de que las brechas principales en las pruebas de la mecánica cuántica están cerradas otras se abren. Tomen la brecha del "colapso de la localidad " , una idea de Adrian Kent de la Universidad de Cambridge.
De acuerdo a muchas interpretaciones de la teoría cuántica, un par de fotones entrelazados existen en una superposición de estados cuánticos hasta el punto de la medición, momento en el que se colapsa en un estado específico. Los experimentos realizados hasta ahora han asumido que este colapso es instantáneo. Pero no lo es. En las interpretaciones que requieren que los eventos sean registrados por la conciencia humana para que los estados colapsen, se necesita tanto como 0.1 segundos.
Eso significa que un estado cuántico podría señalar su colapso a otra ubicación remota antes de que el colapso del segundo estado pudiera ser registrado. Para cerrar esta brecha, los seres humanos reales tendrían que registrar los hechos y ser espaciados más de 0,1segundos-luz en separación -alrededor de 30.000 kilómetros (ver aquí).
"Me parece exagerado", dice el Premio Nobel Anthony Leggett, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. "Pero por otro lado, si usted me hubiera dicho en 1985 que en 2010 la gente iba a estar haciendo este tipo de experimento a más de 100 kilómetros,le hubiera dicho que debe estar bromeando."
fuente de la información:
http://www.newscientist.com/article/mg20928011.100-reality-check-closing-the-quantum-loopholes.html
