Los científicos superan los efectos cuánticos con el dúo de tambores entrelazado

Uno de los resultados más molestos de la mecánica cuántica es la revelación de que la realidad es en gran medida una ilusión persistente. La mecánica cuántica no es simplemente una teoría de lo microscópico: toda la materia es fundamentalmente cuántica; da la casualidad de que los efectos cuánticos extraños son difíciles de observar en algo más grande que unos pocos átomos. Como las siluetas parpadeantes en la pared en la alegoría de la cueva de Platón, la existencia de objetos macroscópicos, así llamados “clásicos”, es simplemente una sombra proyectada por sus verdaderas formas cuánticas. Todo esto no es una novedad para los físicos, que han estado jugando en el mundo cuántico durante más de un siglo y, en su mayoría, no se preocupan por el edificio en ruinas de la realidad.

Dos nuevos artículos publicados el jueves en Ciencias empujar los límites de los efectos cuánticos que los físicos pueden lograr a escala macroscópica. Ambos estudios observaron tales efectos en “tambores” delgados de aluminio del tamaño de un glóbulo rojo. En el primer estudio, investigadores estadounidenses e israelíes midieron de manera directa y confiable el entrelazamiento cuántico entre los tambores. Y el segundo estudio, dirigido por un equipo finlandés, midió los tambores enredados evitando la “acción de retroceso”, el ruido inevitable asociado con el acto mismo de intentar medir la posición y el impulso de un objeto.

En el mundo clásico, no existe un límite teórico para la precisión de tales mediciones. Pero el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en la década de 1920, establece que existe un límite fundamental en la forma en que se puede conocer la posición y el momento de un objeto como un tambor. “Los trucos descritos en estos dos artículos son formas de evadir lo que podría haber pensado que es el límite de las fuerzas de medición que provienen del principio de incertidumbre de Heisenberg”, dice Aashish Clerk, físico de materia condensada de la Universidad de Chicago, que no participó en cualquier estudio.

Tanto el entrelazamiento como la evasión por retroceso se han observado previamente en sistemas macroscópicos, pero de formas diferentes y posiblemente más limitadas. En 2018 otro grupo de investigadores enredado dos tiras de silicio. Otros experimentos incluso han vibraciones entrelazadas en diamantes. Sin embargo, los trucos demostrados por ambos equipos en los últimos Ciencias los artículos les han permitido observar efectos cuánticos con muchas menos advertencias.

“No estamos descubriendo nada nuevo sobre la mecánica cuántica aquí”, dice Yiwen Chu, investigador cuántico del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich, que no participó en ninguno de los estudios. Pero obtener estas medidas todavía requiere “avances tecnológicos muy impresionantes”, dice.

Esta arcana área de investigación tiene un simple objetivo general: “hacer que algo grande llegue a un estado cuántico”, dice Clerk. Las aplicaciones van desde computadoras cuánticas hasta problemas de física que requieren precisión subatómica, como la detección de materia oscura u ondas gravitacionales.

Algunos investigadores, como Mika Sillanpää, físico de la Universidad Aalto en Finlandia y coautor del segundo artículo, desean medir efectos cuánticos sensibles, pero se han visto limitados por la naturaleza clásica de sus herramientas de medición macroscópica. Al llevar los efectos cuánticos al reino macroscópico o, dicho de otra manera, devolver los objetos clásicos a su verdadero yo cuántico, Sillanpää espera investigar la gravedad cuántica.

Los avances en la tecnología cuántica a veces se promocionan por su potencial beneficio para el consumidor. Los nuevos desarrollos, aunque emocionantes, “no son para teléfonos móviles”, dice Sillanpää secamente.

Tamborileando hasta el enredo

Se han conjurado más analogías para explicar el entrelazamiento cuántico que casi cualquier otro fenómeno de la física. Shlomi Kotler, física del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y coautora del primer artículo, ofrece una definición simple: los objetos se entrelazan cuando sus posiciones o momentos se conocen con mayor precisión que la incertidumbre inicial de esas posiciones o momentos. El entrelazamiento es simplemente una correlación entre objetos, ya sean electrones o tambores de aluminio del tamaño de una micra, que excede lo que es posible con solo una relación clásica.

Para lograr el entrelazamiento, los dos equipos elaboraron tambores de aluminio finamente afinados, los colocaron en un chip de cristal, sobreenfriaron la configuración a casi cero absoluto y luego golpearon ambos tambores con un pulso de radiación de microondas.

“Estos dos tambores no se comunican en absoluto, mecánicamente”, dice John Teufel, físico del NIST y coautor del primer artículo. “Los microondas sirven como intermediarios que les permiten hablar entre ellos. Y la parte difícil es asegurarse de que se hablen con fuerza sin que nadie más en el universo obtenga información sobre ellos “.

Golpeados por las microondas, cada tambor vibra, subiendo y bajando aproximadamente el ancho de un protón. Este minúsculo movimiento es detectable como un cambio en el voltaje de un circuito conectado a los tambores.

“Enredar el movimiento de dos átomos ya es un experimento heroico y difícil”, dice Teufel. En comparación, cada tambor tiene aproximadamente un billón de átomos. Además, mientras que las partículas individuales tienen estados cuánticos discretos, como girar hacia arriba o hacia abajo, los tambores pueden estar en una distribución continua de amplitudes o distancias de vibración, a medida que se bambolean.

Pero si los tambores son lo suficientemente sensibles como para enredarse con el pulso de microondas y relativamente libres de ruido, sus amplitudes estarán fuertemente correlacionadas. Medir la amplitud de un tambor te dice cuál es la amplitud del otro. Por ejemplo, si se mide que un tambor tiene una amplitud alta, el otro debe tener una amplitud baja.

“Solo necesita una relación señal-ruido realmente buena para sus mediciones”, dice Clerk. “Este es quizás el primer experimento en este tipo de sistemas que lo ha logrado”.

De hecho, esa relación es tan baja que es posible ver el efecto del entrelazamiento simplemente trazando la relación espacial entre las posiciones de los dos tambores. Allí, en los miles de puntos de datos, hay una extraña correlación, una prueba de que la realidad clásica de dos tambores separados es una sombra de una verdad más profunda en la que el entrelazamiento los convierte en un único objeto cuántico.

Escondiéndose de Heisenberg

En lugar de golpear los tambores repetidamente para enredarlos varias veces, el segundo equipo creó un enredo duradero con un método que se parecía más a un redoble de batería que a un solo golpe. Al crear este estado estable, los investigadores pudieron realizar muchas mediciones del mismo entrelazamiento con el objetivo de “evadir” el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Ese principio a menudo se describe incorrectamente como afirmando que cualquier medida, sin importar cuán pequeña sea, debe darle un empujón a un objeto, introduciendo incertidumbre. “El principio de incertidumbre dice que hay algunas cosas [for which] no está permitido medir ambos a la perfección ”, dice Clerk. “Hay otras cosas [for which] es totalmente feliz para usted medir de manera simultánea y perfecta.

Por ejemplo, no hay límite para la precisión con la que puede conocer la posición o el impulso de un objeto. El problema surge cuando intentas medir ambos al mismo tiempo. La evasión de la acción hacia atrás es una forma de sortear esta limitación sin violar realmente el diktat de Heisenberg. En lugar de medir la posición y el impulso de cada tambor individual, Sillanpää y sus colegas midieron esencialmente la suma combinada del impulso del tambor a través de su efecto sobre el voltaje del circuito.

“Nada viola el principio de incertidumbre de Heisenberg. Acaba de elegir un conjunto particular de preguntas en las que no está preguntando sobre cosas que están prohibidas ”, dice Chu.

Las posibilidades de precisión demostradas por estos dos experimentos son intrigantes. No es exagerado imaginar que algún día se puedan usar tambores similares para sondear los diminutos efectos de la gravedad cuántica sobre una mesa o que se empleen como parte de un relé en una red cuántica.

Pero quizás el aspecto más tentador del trabajo, más allá de cualquier aplicación, es que simplemente nos acerca a la verdadera naturaleza cuántica del mundo. “Todo lo que puedes ver a diario son las sombras”, dice Kotler. “Pero dadas las técnicas correctas, puedes ver que el entrelazamiento está ahí, listo para usarse en el siguiente paso”.

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