Logran el entrelazamiento cuántico de dos fonones en sendos diamantes separados 15 centímetros

Por Francisco R. Villatoro, el 1 diciembre, 2011. Categoría(s): Ciencia ✎ 27

 

Observar el entrelazamiento cuántico entre objetos macroscópicos a temperatura ambiente parece casi imposible, debido a la decoherencia cuántica. Lee et al. publican en Science la primera observación del entrelazamiento cuántico entre los fonones (modos cuánticos de oscilación de los átomos en un cristal) de dos muestras de diamante de pocos milímetros de diámetro separados unos 15 centímetros de distancia. A temperatura ambiente las fluctuaciones térmicas destruyen la coherencia de un sistema cuántico, transformándolo en clásico (las correlaciones cuánticas se transforman en estadísticas). Lee et al. han logrado el entrelazamiento cuántico durante 7 ps (picosegundos o billonésimas de segundo). El secreto es que en el diamente los fonones oscilan a frecuencias muy altas, lo que les protege de las fluctuaciones térmicas a temperatura ambiente. Gracias a ello no ha sido necesario enfriar el experimento a temperaturas próximas al cero absoluto (habituales cuando se habla de propiedades cuánticas de sistemas macroscópicos). Para producir los fonones se han excitado los diamantes con láseres ópticos ultrarrápidos (pulsos ópticos separados 0,35 ps), que también se han utilizado para la detección del entrelazamiento. Nos lo cuenta L.-M. Duan, «Physics: Quantum Correlation Between Distant Diamonds,» Science 334: 1213-1214, 2 Dec. 2011,  que se hace eco del artículo técnico de K. C. Lee et al., «Entangling Macroscopic Diamonds at Room Temperature,» Science 334: 1253-1256, 2 Dec. 2011. También merece la pena leer a John Matson, «Quantum Entanglement Links Two Diamonds. Usually a finicky phenomenon limited to tiny, ultracold objects, entanglement has now been achieved for macroscopic diamonds at room temperature,» Scientific American, Dec. 1, 2011.

El método usado por Lee y sus colegas para producir el entrelazamiento entre los dos diamantes macroscópicos aparece en la figura que abre esta entrada. Gracias a este nuevo método se ha logrado un entrelazamiento con una calidad del 98%, lo que demuestra que el entrelazamiento cuántico es un fenómeno que también se puede observar en el mundo macroscópico, lo que ofrece esperanzas en computación cuántica e información cuántica. Obviamente, 7 picosegundos es un tiempo muy corto para cualquier aplicación práctica y habrá que buscar maneras de alargar este tiempo. Los autores creen que utilizando tecnologías láser de pulsos aún más cortos podrán alargar el tiempo en el que el sistema cuántico se mantiene coherente. 

Os recuerdo que el entrelazamiento cuántico es un fenómeno por el cual dos o más objetos comparten un vínculo invisible que los relaciona incluso más allá de lo que la causalidad relativista permite (el vínculo se observa incluso si se separan los dos sistemas una distancia mayor que lo que permite la transmisión de una señal lumínica entre ambos sistemas). Los autores del artículo han logrado entrelazar los estados vibratorios de las estructuras cristalinas de dos diamantes macroscópicos. Para ello han enviado un pulso óptico que ha inducido un fonón, la vibración cuántica de menor energía de la estructura cristalina de un sólido, en cada diamante.  El experimento logra entrelazar los estados vibratorios de los dos diamantes macroscópicos de tal forma que cuando el láser excita un fotón es imposible saber si dicho fotón se encuentra en un diamante o en el otro, como indica Ian Walmsley, físico experimental de la Universidad de Oxford y coautor del artículo. El fonón, desde el punto de vista cuántico, pertenece a ambos diamantes de forma simultánea. Para verificar que se ha logrado el entrelazamiento se han utilizado pulsos ópticos de prueba que se han hecho incidir sobre cada uno de los diamantes. El fotón incide sobre el fonón y cambia su energía (frecuencia) de tal forma que solo se puede explicar si se ha producido el entrelazamiento cuántico.

La mecánica cuántica viola los preceptos de nuestra intuición clásica. Puede parecer que el fonón debe estar excitado en uno de los diamantes y no en el otro, pero si se asume este hecho, los cálculos indican que los resultados de las medidas en este experimento deberían ser diferentes a las observadas. La única manera de explicar las probabilidades de las medidas de la energía del fotón de prueba es considerar que se ha logrado un entrelazamiento entre (los estados vibratorios de) ambos diamantes. Esto es similar al experimento de la doble rendija. Si sabemos por qué rendija pasa un fotón, el resultado será diferente que si consideramos que todo ocurre como si el fotón pasara por ambas rendijas de forma simultánea.

¿Por qué se ha observado el entrelazamiento con un 98% de confianza estadística? Este tipo de experimentos es muy delicado y no se puede obviar la posibilidad de que haya correlaciones «ocultas» que expliquen el resultado observado sin que haya habido un entrelazamiento cuántico como tal. Aún así, un 98% es un nivel de confianza suficientemente alto en este tipo de experimentos como para poder afirmar que se ha logrado con éxito el entrelazamiento cuántico (la seguridad del 100% es casi imposible en este tipo de experimentos). Pero por supuesto, podría ocurrir que por una fluctuación estadística se hubiera observado una correlación accidental (los autores han estimado que solo hay una probabilidad de 1 entre 50, o del 2%). Los posibles loopholes en estos experimentos son imposibles de evitar. Sin embargo, el 98% ha sido suficiente para que este resultado haya merecido ser publicado en la prestigiosa revista Science.



27 Comentarios

  1. ¿Y el teorema sobre la función de onda «real»?
    ¿No te ha parecido importante?
    ¿No crees que pueda tener utilidad en el entendimiento de la computación cuántica y en otros campos?

    1. Gracias por recordarlo. Tengo pendiente hablar de dicho teorema… pero los borradores de mi blog, ahora mismo más de 70, crecen a un ritmo demasiado rápido. Si puedo hablaré de ese tema en detalle este fin de semana.

  2. Una consulta Francis: ¿sería posible construir un emisor de información punto a punto en tiempo real a partir de esta tecnología? .. sería muy útil en misiones espaciales con Rovers controlados a distancia. Salu2 y gracias.

  3. Si no recuerdo mal de cuando leí el paper, la cantidad de entanglement (concurrencia, que es una función monótona del entanglement of formation) que tenían era de 10^-5 o por ahí, eso sí, comprobada con 98% de fiabilidad.
    Creo que este trabajo, más que una utilidad o un paso hacia la futura computación cuántica, tiene un punto más fundamental que es saber si la cuántica puede existir en estos regímenes (macroscópico y/o caliente) en absoluto. Para computación probablemente ayuda más tener dissipation engineering.

  4. DE LA MISMA MANERA SE ENTRELAZAN LOS SIMBOLOS. Y todo lo pensado, hablado y actuado funciona como frecuencias electroacùsticas o mezclas de las formas, a lo cual llamamos «ideas» o «actos». Se trata del fenòmeno llamado «conciencia» o mente global a nivel macroscòpico. Què tal !!!

  5. ES HORA YA DE INVESTIGAR EL LENGUAJE
    como un producto también del entrelazamiento. ¿Acaso puede uno en este momento sostener alguna idea que nadie haya tenido alguna vez…? Entonces vemos que ellas surgen de las ligas de diálogos, lugares, escenas, lecturas, investigaciones, etc. guiadas por una acción a la que llamamos intención, propósito o hipótesis. Nos daremos cuenta que el «enmarañamiento cuántico global» es aquello que organizamos como información y luego como conocimiento.

  6. No soy físico, pero tengo una inquietud. Como se efectúan las mediciones del entrelazamiento si por el principio de incertidumbre el momento cuántico cambia cuando la partícula es observada?.
    La respuesta es para mi importante ya que con el fallido experimento OPERA una idea que permite ignorar el factor de Lorentz que limita la velocidad máxima del universo a c. Como OPERA fallo llego a las mismas conclusiones con la velocidad a la que ocurre el entrelazamiento. Nadie a proporcionado una antítesis efectiva a mi teoría, pero me han hecho la pregunta que les hago a ustedes. Si quieren leer mi planteamiento este es el link (si no por favor respondan a mi pregunta):
    https://www.facebook.com/pages/Soluci%C3%B3n-Paradoja-Entrelazamiento-Cu%C3%A1ntico-Y-relatividad-Especial/153608721486040?ref=hl

  7. Desde otra perspectiva el experimento OPERA no falló, al menos no falló la idea de que los neutrinos puedan ser hiperlumínicos bajo ciertas condiciones. Lo que falló fue un cable mal conectado que devolvió la medida al postulado de la RE que prohíbe a cualquier partícula diferente del fotón ser más rápida que la luz. La máxima velocidad del universo no es c, no sabemos cuál es la máxima velocidad del universo. La constante c nos dice que la luz viaja en el vacío en torno a los 300.000 km/s, pero esa velocidad depende de las partículas virtuales que llenan el vacío. Dicho con otras palabras, c es una constante en determinadas condiciones, pero no lo es bajo otras condiciones. No puedo acceder a tu artículo, pero de todas maneras no estoy al tanto de los experimentos de entrelazamiento.

    1. Gracias por tu respuesta. No soy fisico como dije antes, pero entiendo que la relatividad especial limita a c como maxima velocidad, de lo contrario el denominador de Lorentz seria un numero imaginario.

    2. Artemio deja de decir estupideces por favor, cuando uno no tiene ni idea de lo que habla solo consigue confundir a la gente y llenar el apartado de comentarios de un blog de calidad como este de burradas sin sentido. Te recomiendo que antes de opinar consigas aunque solo sea la más mínima información básica sobre el tema que se trata sino lo que suele suceder es que se dicen estupideces sin sentido.

      1. Hay varios papers que hacen una revisión crítica de la constante c, pero dado el tono de tu comentario te dará igual lo que los papers digan al respecto.

  8. Einstein dijo que la luz transporta masa, que viene a ser lo mismo que decir que la luz se riza al curvarse sobre sí misma. Esto es una ventaja porque nos permite estudiar con tiempo y detalle la realidad física en la que vivimos: un universo 4D acotado por c. Debatir acerca de la hiperluminosidad de ciertas partículas es interesante, pero de momento estamos en pañales al respecto. Saludos.

    1. EUFONIA Y ELECTROACUSTICA:

      Son dos fenómenos de la mente global que sería todo lo hablado escrito o pensado dentro de una estructura de tiempo de 24 hs. Entonces, una pauta, lapso, repetición o estribillo o ritmo o repetición estaría distribuído dentro de ese todo de pulsaciones o palbras,

      1. Francis, en este caso la memoria no me falló 😉

        En un resumen escrito de sus trabajos de 1905 que dirigió a un amigo, Einstein escribió lo siguiente:

        “También se me ha ocurrido otra consecuencia del artículo sobre electrodinámica. El principio de relatividad, en combinación con las ecuaciones de Maxwell, requiere que la masa sea una medida directa de la energía contenida en un cuerpo; la luz transporta masa”…

        En cualquier caso, mi comentario hay que situarlo en el contexto de la cuestión expuesta por otro comentarista sobre el límite impuesto por la constante c. Es decir, si la luz transporta masa y ésta crea gravedad, la luz se curva sobre sí misma. Esto quiere decir que la velocidad de la luz está condicionada por su campo gravitatorio.

  9. PERO COMO PROBARLO…?
    Un fenómeno similar debe presentarse en «párrafos» cuyas palabras siguen la entonación o eufonía de la primera frase…
    Es decir, se repetirán más vocales usadas al comienzo del párrafo.
    Aquí vemos que la distribución de las ideas son memorias de flujo y no de significado… Y para qué sirve saberlo? Ello explicaría la distribución como uina física de partículas y no del intelecto…

  10. TAL VEZ UNA HIPÖTESIS EXPLICATIVA sería aquella que considera que el fotón, o fotón oscuro, o fotón virtual, o neutrino hiperlumínico o gravifotón o takión o cualquier partícula hipotética más veloz que la luz sea capaz de pasar por la quinta dimensión a causa de su velocidad y luego volver a entrar a la cuarta dimensión del espaciotiempo al bajar esa velocidad, lo cual serviría para explicar también ese fotón tan buscado que pasa por la segunda ranura en el experimento clásico de la física cuántica. Hasta Luego.

  11. Si la velocidad de la luz está condicionada por el campo gravitatorio, debe de haber una modificación de dicho campo debida a la distancia y la forma entre «una ranura» y «doble ranura»
    de manera que el fotón responde adaptándose a «lo que hay», modificando su velocidad asociándose con un takión, que es otro nombre que damos por necesidad a esa aceleración…

  12. Vamos a ver. El hecho de que la velocidad de la luz esté condicionada por el campo gravitatorio no excluye otras explicaciones, la física no es tan sencilla como pueda parecer. El taquión, que yo sepa, es una partícula imaginaria, no hay evidencia empírica de la misma. El fotón que pasa por la segunda ranura es 4D, no veo que hace el taquión en este ejemplo.

    1. Es verdad. Es una partícula imaginaria.Por eso dijimos «….Tal vez, una hipótesis…» o también al hacer mención de ella llamándola como «partícula hipotética…»

  13. Intuyo que no me entendiste. Para explicar el experimento de la rendija, que es 4D, no es necesario postular al taquión, me parece un tanto alambicado el argumento. ¿Para qué acudir al taquión si el experimento mide fotones y electrones, partículas y ondas cuadridimensionales? La física está llena de hipótesis, algunas son innecesarias respecto de ciertos datos, al menos hasta que dispongamos de más experimentos. Tal vez ahora me expliqué mejor que antes.

  14. Porque a esa velocidad c (siempre hipotéticamente) tal vez pudiera un fotón, con un poco más, «escaparse más allá» lo cual serviría incluso para duplicarse o multiplicarse en el sentido de ocupar más de un lugar a la vez, ya que se habla de masa infinita a la velocidad c.

  15. Artemio, Hugo, la idea (en mecánica cuántica no relativista) de que una partícula está en varios lugares al mismo tiempo es obsoleta y no tiene sentido (en mecánica cuántica relativista o teoría de campos). Una partícula es una perturbación localizada en un campo, pero los campos no están localizados. Un imán (o una partícula cargada) no genera un campo electromagnético y otro imán (o partícula cargada) genera otro campo electromagnético diferente. Hay un único campo electromagnético en el universo, que un imán (o partícula) perturba en cierta región del espaciotiempo y que otro imán (o partícula) perturba en otra región del espaciotiempo.

    El experimento de doble rendija (y otros similares) ha de ser interpretado desde el punto de vista de la teoría cuántica de campos. La mecánica cuántica no relativista es una aproximación a dicha teoría y no hay que darle mucho valor a los conceptos que introduce usando como guía a la mecánica clásica. Conceptos como la posición de un fotón no tienen sentido físico (salvo en la aproximación no relativista). En cierta región del espaciotiempo un detector de fotones dará una señal con cierta probabilidad, pero eso no significa que el fotón esté localizado en dicha región.

    Hay muchos artículos en ArXiv que discuten estas ideas. En plan divulgativo recomiendo consultar Art Hobson, «There are no particles, there are only fields,» http://arxiv.org/abs/1204.4616 [publicado recientemente en American Journal of Physics].

  16. Francis, gracias por la explicación. Hugo, el experimento de la doble rendija no tiene por objetivo medir la velocidad de la luz. La velocidad de la luz medida en un laboratorio terrestre no es la misma que en el vacío puesto que el laboratorio terrestre no está en el vacío sino en la superficie terrestre y está afectado por la gravedad terrestre.

    “Porque a esa velocidad c (siempre hipotéticamente) tal vez pudiera un fotón, con un poco más, “escaparse más allá” lo cual serviría incluso para duplicarse o multiplicarse en el sentido de ocupar más de un lugar a la vez, ya que se habla de masa infinita a la velocidad c”.

    Lo que pretendo explicar, con escaso resultado, es que “escaparse más allá” no tiene que ver con el experimento de la doble rendija. Un fotón que escapa más allá se torna hiperlumínico, o al menos se torna más rápido que la velocidad que alcanza la luz en el laboratorio terrestre. El experimento de la doble rendija demuestra que, dependiendo de cómo se mida, un fotón actuará como una partícula o una onda, pero no como ambas. También demuestra que no puede conocerse con exactitud dónde está el fotón (qué rendija está atravesando) y cuál es su momento (en qué ángulo surge de la rendija) haciendo imposible definir su camino.

    En este contexto no resulta necesario acudir a la velocidad de la luz sino a otros parámetros, ciertamente curiosos, eso sí, que encuentran explicación a velocidades sublumínicas.

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