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Recientes investigaciones sobre Entrelazamiento cuántico

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Por Martín Gil

Se ha propuesto un llamativo experimento que despejaría de una vez por todas las dudas sobre una fantasmal posibilidad de la mecánica cuántica referente a la relación entre la causa y el efecto.

El entrelazamiento cuántico, un fenómeno desconcertante de la mecánica cuántica al que Albert Einstein se refirió en una ocasión como "acción fantasmal a distancia", se produce cuando dos o más partículas interactúan de forma que el comportamiento de cada una depende aparentemente del comportamiento de las demás. La parte "fantasmagórica" es que, tal como parecen indicar experimentos anteriores, esta relación es independiente de la distancia que separa a las partículas; éstas pueden estar en extremos distintos de la misma habitación, o en ciudades separadas por muchos kilómetros de distancia, e incluso, presumiblemente entre galaxias distantes. Si el comportamiento de una de las partículas cambia, el comportamiento de la otra partícula entrelazada cambia simultáneamente, sin importar lo lejos que estén una de la otra.

En 1964, el físico John Bell se enfrentó a esta aparente disparidad entre física clásica y mecánica cuántica, diciendo que si el universo está basado en la física clásica, la medición de una partícula entrelazada no debería afectar a la medición de la otra, o sea que habría un límite en cómo de correlacionadas pueden estar dos partículas. Bell diseñó una fórmula matemática para esa situación con un límite.
Desde entonces, los físicos han examinado el teorema de Bell midiendo las propiedades de partículas entrelazadas cuánticamente en el laboratorio. En esencia, todos estos experimentos han mostrado que tales partículas están correlacionadas de una manera más fuerte de lo que se podría esperar bajo las leyes de la física clásica, hallazgos que apoyan a la mecánica cuántica en esa vertiente.

Sin embargo, los científicos han identificado también varias lagunas o ambigüedades en el teorema de Bell. Éstas sugieren que aunque los resultados de tales experimentos pueden parecer apoyar las predicciones de la mecánica cuántica, podrían en realidad reflejar %u201Cvariables ocultas%u201D desconocidas que proporcionarían la ilusión de un resultado cuántico, pudiéndose aún explicarse en términos clásicos.
Aunque se han cerrado ya dos lagunas principales, resta una tercera; los físicos se refieren a ella como %u201Cindependencia de la configuración inicial%u201D, o de forma más provocadora, %u201Clibre albedrío%u201D. Esta laguna propone que los ajustes iniciales de un detector de partículas podrían %u201Cconspirar%u201D con los eventos en el pasado causal compartido de los propios detectores para determinar qué propiedades de la partícula medir, un escenario que, aunque muy poco probable, implicaría que un físico realizando un experimento no tendría un libre albedrío completo a la hora de elegir la configuración inicial de cada detector. Tal escenario resultaría en mediciones sesgadas, lo que sugeriría que dos partículas están más correlacionadas de lo que realmente lo están, y dando más peso a la mecánica cuántica que a la física clásica. David Kaiser y Andrew Friedman, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge, y Jason Gallicchio de la Universidad de Chicago, ambas instituciones en Estados Unidos, han propuesto un experimento para cerrar esta tercera laguna mediante la determinación de la configuración inicial de un detector de partículas usando una de las luces más antiguas del universo: la de los distantes quásares, o núcleos galácticos extremadamente activos y brillantes, que se formaron miles de millones de años atrás.
Si bien la idea de usar luz de fuentes distantes como los quásares no es nueva, la investigación de Kaiser, Friedman y Gallicchio constituye el primer análisis detallado de cómo tal experimento podría ser llevado a la práctica, utilizando tecnología actual.
La idea, en esencia, es que si dos quásares en lados opuestos del cielo están lo bastante lejos el uno del otro, habrán permanecido fuera de todo contacto causal (no pueden haberse influido el uno al otro) desde el Big Bang, hace unos 14.000 millones de años, sin posibilidad de que algo se haya comunicado con ambos desde el inicio del universo, un escenario ideal para determinar la configuración inicial de cada detector de partículas.
Tal y como explica Kaiser, podría realizarse un experimento de la manera siguiente: Se preparara en un laboratorio un generador de partículas, como por ejemplo un átomo radiactivo que lanza parejas de partículas entrelazadas cuánticamente. Un detector mide una propiedad de la partícula A, mientras que otro detector hace lo mismo para la partícula B. Una fracción de segundo después de que las partículas sean generadas, pero justo antes de que los detectores sean configurados, los científicos utilizarán observaciones telescópicas de lejanos quásares para determinar qué propiedades medirá cada detector de su respectiva partícula. En otras palabras, el quásar A determina la configuración inicial para detectar la partícula A, y el quásar B la del detector para la partícula B.

 TAGS:undefinedLos investigadores razonan que dado que la configuración inicial de cada detector se halla determinada por fuentes que no han tenido contacto o compartido historia desde el inicio del universo, sería virtualmente imposible para ellos %u201Cconspirar%u201D con nada en su pasado compartido para proporcionar una medición sesgada; el sistema experimental podría por tanto cerrar la laguna del %u201Clibre albedrío%u201D. Si, después de múltiples mediciones con este sistema experimental, los científicos encuentran que las mediciones de las partículas están más correlacionadas de lo predicho por las leyes de la física clásica, entonces esto significaría que el universo debe estar basado en la mecánica cuántica, lo cual abriría una nueva era en la física.
Nuevas perspectivas sobre la comunicación a grandes distancias

El entrelazamiento cuántico provocaría la aparición de 'agujeros de gusano'

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Se trata de una especie de túnel en la quinta dimensión que comunica a las partículas enredadas; Científicos de MIT (Boston, EEUU) han descubierto que el entrelazamiento cuántico entre dos partículas provoca la aparición de un 'agujero de gusano', una especie de túnel que comunica a ambas partículas en la quinta dimensión (la de la gravedad). Esto podría significar que la gravedad en realidad se origina a partir de las propiedades cuánticas del universo, y no es un concepto fundamental. Por Jennifer Chu (MIT/T21). El entrelazamiento cuántico%u200E es una de las teorías más extrañas de la mecánica cuántica; tan extraña, de hecho, que Albert Einstein se refirió a ella como "acción fantasmal a distancia".

En esencia, esta propiedad implica a dos partículas, cada una ocupando varios estados al mismo tiempo, una condición conocida como superposición. Por ejemplo, ambas partículas pueden girar simultáneamente en sentido horario y en sentido antihorario. Pero ninguna de ellas tiene un estado definido hasta que se mide a alguna, haciendo que la otra partícula asuma inmediatamente el estado correspondiente a la primera. Las correlaciones resultantes entre las partículas se conservan, aunque estén en extremos opuestos del universo.

Mecanismo para producir esa comunicación

El principal cuestionamiento es conocer que permite a las partículas comunicarse instantáneamente, aparentemente más rápido que la velocidad de la luz y a distancias tan grandes. A principios de este año, un grupo de físicos propuso una respuesta que involucra a los "agujeros de gusano" o túneles gravitacionales.

El grupo demostró, que mediante la creación de dos agujeros negros entrelazados que se separaban a continuación, se formaba un agujero de gusano, esencialmente un "atajo" a través del universo, que conectaba a los agujeros negros distantes entre sí.

Ahora, un físico del Massachusetts Institute of Technology (MIT, de Boston, EEUU) ha descubierto algo curioso, según la teoría de cuerdas%u200E, la creación de dos quarks %u200E que son los componentes básicos de los nucleones, es decir, de los protones y los neutrones, si estos están entrelazados dan lugar simultáneamente a un agujero de gusano que conecta el par.

Los resultados teóricos refuerzan la relativamente nueva y emocionante idea de que las leyes de la gravedad que mantienen unido el universo pueden no ser fundamentales, sino que surgen de algo más: el entrelazamiento cuántico.
Julián Sonner, un post-doc senior del Laboratorio de Ciencia Nuclear y Centro de Física Teórica de MIT, ha publicado sus resultados en la revista Physical Review Letters, donde aparece junto con un artículo relacionado de Kristan Jensen, de la Universidad de Victoria (Canadá) y Andreas Karch, de la Universidad de Washington (Seattle, EE.UU.)

La Gravedad una red enmarañada

Desde que la mecánica cuántica fue propuesta por primera vez hace más de un siglo, el principal desafío para los físicos de ese ámbito ha sido explicar la gravedad en términos de la mecánica cuántica. Si bien la mecánica cuántica funciona muy bien en la descripción de las interacciones a nivel microscópico, no explica la gravedad, un concepto fundamental de la relatividad, una teoría propuesta por Einstein para describir el mundo macroscópico, por lo tanto, parece que hay una barrera importante para la conciliación de la mecánica cuántica y la relatividad general; durante años, los físicos han tratado de llegar a una teoría de la gravedad cuántica para casar los dos campos, pero numerosos intentos han sido infructuosos.

Una teoría de la gravedad cuántica sugiere que la gravedad clásica no es un concepto fundamental, como propuso Einstein por primera vez, sino que surge de un fenómeno más básico, basado en la cuántica. En un contexto macroscópico, esto significaría que el universo está formado por algo más fundamental que las fuerzas de la gravedad.
Aquí es donde el entrelazamiento cuántico podría desempeñar un papel. Podría parecer que el concepto de entrelazamiento -uno de los más fundamentales en la mecánica cuántica- está en conflicto directo con la relatividad general: dos partículas entrelazadas, "comunicándose" a través de grandes distancias, tendrían que hacerlo a velocidades superiores a las de la luz, lo que sería una violación de las leyes de la física, según Einstein.

Por consiguiente, puede resultar sorprendente que el uso del concepto de entrelazamiento para construir el espacio-tiempo sea un paso importante hacia la reconciliación de las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad general.
túnel hacia la quinta dimensión

En julio, los físicos Juan Maldacena, del Instituto de Estudios Avanzados, y Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford (California, EE.UU.) propusieron una solución teórica en forma de dos agujeros negros entrelazados.

Cuando los agujeros negros estaban entrelazados, y luego se separaban, los teóricos encontraron que lo que surgía era un agujero de gusano, un túnel a través del espacio-tiempo que se cree que está sostenido por la gravedad. La idea parecía sugerir que, en el caso de los agujeros de gusano, la gravedad surge de un fenómeno más fundamental, los agujeros negros entrelazados.

Siguiendo el trabajo de Jensen y Karch, Sonner ha tratado de abordar esta idea a nivel de los quarks. Para ver lo que surge a partir de dos quarks entrelazados, primero generó quarks utilizando el efecto Schwinger, un concepto en la teoría cuántica que permite crear partículas de la nada. Más precisamente, el efecto, también llamado "creación de pares", permite que dos partículas surjan del vacío, "sopa de partículas efímeras".
Bajo un campo eléctrico se puede, como explica Sonner en la información de MIT, "atrapar un par de partículas" antes de que desaparezcan de nuevo en el vacío. Una vez extraídas, estas partículas se consideran entrelazadas.
Sonner mapeó los quarks entrelazados en un espacio de cuatro dimensiones, considerado una representación del espacio-tiempo. En cuanto a la gravedad, se considera que existe en la siguiente dimensión, ya que de acuerdo con las leyes de Einstein, actúa "curvando" el espacio-tiempo; es decir, que existe en la quinta dimensión.

La nueva geometría
Para ver qué geometría puede surgir en la quinta dimensión como lo habían sugerido Kaluza y Klein en la década de los 90´s, pero ahora en un nuevo contexto que involucra a la mecánica cuántica, es decir, a partir de los quarks entrelazados en la cuarta dimensión. Sonner empleó la dualidad holográfica, un concepto de la teoría de cuerdas; aunque un holograma es un objeto de dos dimensiones, contiene toda la información necesaria para representar una visión tridimensional. Esencialmente, la dualidad holográfica es una manera de derivar una dimensión más compleja a partir de la dimensión inmediatamente inferior.

Usando la dualidad holográfica, Sonner derivó los quarks entrelazados y descubrió que lo que surgía era un agujero de gusano que conectaba a ambos, lo que implica que la creación de quarks crea al mismo tiempo un agujero de gusano.
A nivel más fundamental, los resultados sugieren que la gravedad puede, de hecho, emerger del entrelazamiento. Lo que es más, la geometría o curvatura, del universo tal y como lo describe la gravedad clásica, pueden ser una consecuencia del entrelazamiento, como la existente entre los pares de partículas unidos entre sí por los túneles en forma de agujeros de gusano.

"Es la representación más básica hasta ahora que tenemos de cómo el entrelazamiento da lugar a una especie de geometría", explica Sonner. "¿Qué pasa si se pierde parte de este entrelazamiento, y qué le ocurre a la geometría? Hay muchos caminos que pueden recorrerse en esta investigación, y este trabajo puede llegar a ser muy útil en ese sentido", sin embargo, apela un poco a esa tentación humana llamada la especulación, solo la experiencia lo verificaría en el futuro lejano.

Referencias:
Julián Sonner. Holographic Schwinger Effect and the Geometry of Entanglement. Physical Review Letters (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.211603.

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