Demuestran el entrelazamiento cuántico entre objetos macroscópicos
Dos pequeños «tambores» de aluminio proporcionan la primera prueba directa de entrelazamiento entre cuerpos formados por billones de átomos.
Micrografía de las membranas de aluminio empleadas en el experimento efectuado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos. Cada una de ellas presenta una longitud aproximada de unos 10 micrómetros y se encuentra formada por cerca de un billón de átomos. [J. Teufel/NIST]
Gracias a las vibraciones de dos diminutos tambores, los físicos han logrado la demostración más directa hasta la fecha de que el entrelazamiento cuántico —un fenómeno normalmente restringido al ámbito subatómico— puede también tener lugar entre objetos de tamaño macroscópico. Los hallazgos, descritos en dos artículos publicados en Science, podrían ayudar a construir sensores con una sensibilidad sin precedentes, así como proporcionar una alternativa novedosa a la manera usual de almacenar la información en los ordenadores cuánticos.
Las extrañas leyes de la mecánica cuántica predicen que dos objetos distantes pueden compartir un estado cuántico común, un fenómeno conocido como «entrelazamiento». Cuando eso ocurre, las propiedades medibles de uno de los objetos, como su posición o su velocidad, permanecen ligadas a las del otro con un grado de correlación mayor del que sería posible conseguir con cualquier sistema clásico.
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No hay nada en las leyes cuánticas que restrinja este tipo de comportamiento a las partículas subatómicas. Sin embargo, cuando se consideran objetos mucho mayores (del tamaño de un gato, pongamos por caso), los efectos cuánticos son por lo general tan minúsculos que, en la práctica, resultan inobservables. Por ello, hace tiempo que los físicos se preguntan si esa «pérdida» de propiedades cuánticas obedece a una limitación de nuestros sentidos o instrumentos de medida, o si, por el contrario, se debe a que los objetos macroscópicos siguen un conjunto de leyes fundamentalmente distintas de las que rigen el mundo subatómico.
Para explorar esta cuestión, durante los últimos años los investigadores han intentado observar efectos genuinamente cuánticos en objetos cada vez mayores. «Uno de los puntos de nuestra investigación es: ¿hay física cuántica en el mundo clásico?», apunta Mika Sillanpää, físico de la Universidad de Aalto, en Finlandia.
Tambores cuánticos
Uno de los experimentos ha sido efectuado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos. En él, el físico Shlomi Kotler y sus colaboradores fabricaron un par de membranas de aluminio de unos 10 micrómetros de longitud, cada una de las cuales podía vibrar como si fuera un pequeño tambor.
Aunque tales estructuras apenas pueden observarse a simple vista, cada una está formada por cerca de un billón de átomos, por lo que se trata de objetos descomunales para los estándares cuánticos. Cuando, hace un siglo, los físicos comenzaron a desvelar las leyes de la mecánica cuántica, «nadie imaginó que un día sería posible hacer experimentos con algo tan grande», afirma Kotler, ahora en la Universidad Hebrea de Jerusalén.
En su trabajo, los autores excitaron las membranas de aluminio con fotones de microondas para hacer que vibrasen de tal modo que sus respectivos movimientos quedasen descritos por un estado entrelazado: en cualquier instante, medir el desplazamiento de las membranas arrojaba exactamente el mismo valor para ambas, mientras que medir sus velocidades daba valores exactamente opuestos.
En 2018, dos experimentos llevaron a cabo mediciones similares en objetos vibratorios macroscópicos y obtuvieron pruebas indirectas de su entrelazamiento. Ahora, sin embargo, Kotler y sus colaboradores han logrado «ver» el entrelazamiento de forma más directa gracias a un proceso de amplificación de la señal. Kotler lo compara con la forma en que los antiguos tocadiscos potenciaban la señal antes de enviarla al amplificador, lo que ayudaba a reducir el siseo. Gracias a otras mejoras, los autores también lograron generar un entrelazamiento más fiable.
Estos avances podrían ser clave en computación cuántica, añade Kotler, ya que tal vez permitan codificar la información en las vibraciones de un conjunto de membranas. Ello supondría una alternativa radical a los métodos más estudiados hoy en día, basados en la manipulación de corrientes eléctricas o de sistemas atómicos. Hace poco, Amazon anunció que estaba investigando la posibilidad de emplear cristales vibratorios para codificar y procesar información cuántica.
Límites cuánticos
En el segundo experimento, Sillanpää y sus colaboradores intentaron poner a prueba los límites que impone el principio de incertidumbre de Heisenberg al proceso de medida. Dicho principio establece que, en líneas generales, medir las propiedades de un sistema implicará modificar su estado cuántico.
Para ello, los investigadores también construyeron un par de diminutas membranas de aluminio, y también emplearon fotones de microondas para inducir en ellas un patrón de vibraciones sincronizado y medir sus posiciones. El trabajo perseguía un objetivo distinto al del equipo de Kotler, ya que lo que buscaban aquí los investigadores era sondear la frontera entre el comportamiento cuántico y el clásico. A tal fin, ajustaron sus pequeños tambores para que se movieran de forma coordinada pero no idéntica, de manera que algunas de sus propiedades medibles fueran equivalentes a las de un único «tambor virtual».
Esa estrategia les permitió medir la posición del tambor virtual sin afectar por ello a su velocidad; algo que, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, habría sido imposible con un oscilador cuántico normal. En palabras de Hoi-Kwan Lau, físico teórico de la Universidad Simon Fraser de Canadá que no participó en el trabajo, los autores «han usado la mecánica cuántica para "piratear" la mecánica cuántica».
Al igual que en el experimento del grupo de Kotler, también en este caso los tambores se hallaban en un estado cuántico entrelazado. Además, la técnica de medición abre la puerta a estudiar cómo evoluciona el entrelazamiento en objetos de gran tamaño: «Podemos medir continuamente estados entrelazados sin destruirlos», afirma Laure Mercier de Lépinay, investigadora de la Universidad de Aalto y coautora del artículo.
Estos métodos podrían conducir al desarrollo de instrumentos que evadan los límites de medida que en condiciones normales imponen las leyes cuánticas. «Una posible aplicación sería un sensor de fuerzas», añade Lau; un dispositivo que, dependiendo de su diseño, podría medir con gran precisión fuerzas magnéticas o gravitatorias.
Davide Castelvecchi
Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.
Referencias: «Direct observation of deterministic macroscopic entanglement»; Shlomi Kotler et al. en Science, vol. 372, págs. 622-625, 7 de mayo de 2021. «Quantum mechanics–free subsystem with mechanical oscillators»; Laure Mercier de Lépinay et al. en Science, vol. 372, págs. 625-629, 7 de mayo de 2021.
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