La Física Cuántica Funciona a Escala Macroscópica

Por: Dr. Olivier Alirol, Investigador de Resonance Science Foundation

La física cuántica es el término general que designa un conjunto de planteamientos físicos nacidos en el siglo XX que, al igual que la teoría de la relatividad, marcan una ruptura con lo que hoy se llama física clásica. Así, la llamada "teoría cuántica" describe los comportamientos, a menudo no intuitivos, de átomos, fotones y otras partículas, algo que la física clásica no podía hacer.

Hoy sabemos cómo producir, mediante métodos ópticos experimentales, pares de fotones gemelos cuyas propiedades están perfectamente descritas por la física cuántica. Aunque estén compuestos por dos partículas, estos objetos deben considerarse como un todo, desde el momento en que se crean los fotones hasta el momento en que se detectan. Este fenómeno cuántico es fundamental, por ejemplo en la óptica cuántica, ya que la física clásica no permite ninguna correlación. Por tanto, es necesario comprender en profundidad no sólo su origen, sino sobre todo qué parámetros externos podrían influir o sesgarlos. Esta comprensión es esencial porque estos fenómenos cuánticos son ahora la base de aplicaciones avanzadas y ya comercializadas. Por ejemplo, gracias a los pares de fotones, la criptografía cuántica permite establecer, a distancia, claves secretas útiles para cifrar y descifrar información. De hecho, los métodos criptográficos desarrollados por los informáticos, conocidos como métodos de clave pública, no tienen garantía de ser inviolables de por vida.

Aunque dos fotones entrelazados pueden estar separados por cientos de kilómetros, si hacemos la misma pregunta a los 2 fotones que pertenecen al mismo par, ¡sus respuestas serán siempre idénticas!

En las últimas décadas, las pruebas experimentales de las desigualdades de tipo Bell han estado a la vanguardia de la comprensión de la mecánica cuántica y sus implicaciones. Estos fuertes límites en las mediciones específicas de un sistema físico se originan en algunos de los conceptos más fundamentales de la física clásica, en particular que las propiedades de un objeto están bien definidas independientemente de las mediciones (realismo) y sólo se ven afectadas por las interacciones locales (localidad). La violación de estos límites muestra de forma inequívoca que el sistema medido no se comporta de forma clásica, sin necesidad de asumir la validez de la teoría cuántica. También ha encontrado aplicaciones en las tecnologías cuánticas para certificar la idoneidad de los dispositivos para generar aleatoriedad cuántica, distribuir claves secretas y para la computación cuántica.

En un artículo reciente, un equipo dirigido por el profesor Groblacher, del Instituto Kavli de Nanociencia, informó de la violación de una desigualdad de Bell en un sistema mecánico masivo y macroscópico. Crearon con éxito un entrelazamiento de luz-materia entre el movimiento vibratorio de dos osciladores optomecánicos de silicio, cada uno de ellos compuesto por aproximadamente 10¹⁰ átomos, y dos modos ópticos. Al hacerlo, mostraron una violación de la desigualdad de Bell de más de 4 desviaciones estándar, confirmando directamente el comportamiento no clásico de nuestro sistema optomecánico bajo la hipótesis de muestreo justo.

Como nuestro protocolo experimental es independiente del tamaño del oscilador, estos resultados sientan las bases de la posibilidad de sondear la frontera entre la física clásica y la cuántica con objetos de tamaño arbitrario, incluso visibles a simple vista. – Prof. Gröblacher

La violación de una desigualdad de tipo Bell parecía utilizar dispositivos optomecánicos masivos (alrededor de 10¹⁰ átomos) y macroscópicos, verificando así la no clasicidad de su estado sin necesidad de una descripción cuántica de nuestro experimento. El siguiente reto será investigar los mecanismos fundamentales de decoherencia o la interacción entre la física cuántica y la gravedad. El equipo también tiene previsto demostrar que los estados entrelazados creados son relativamente robustos al calentamiento por absorción, lo que podría conducir a una implementación realista de la generación de entrelazamiento para una futura red cuántica que utilice dispositivos optomecánicos.

Más información en:

Phys.org: Probing quantum physics on a macroscopic scale

Arxiv.org:  An optomechanical Bell test

Veritasium: Quantum Entanglement & Spooky Action at a Distance

PBS Space Time: Quantum Entanglement and the Great Bohr-Einstein Debate