Rompiendo una prueba de décadas, los investigadores refuerzan el caso de la mecánica cuántica

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Rompiendo una prueba de décadas, los investigadores refuerzan el caso de la mecánica cuántica

En un nuevo estudio, los investigadores demuestran tácticas creativas para deshacerse de las lagunas que han confundido durante mucho tiempo las pruebas de la mecánica cuántica. Con su método innovador, los investigadores pudieron demostrar las interacciones cuánticas entre dos partículas espaciadas a más de 180 metros (590 pies) de distancia, al tiempo que eliminaban la posibilidad de que eventos compartidos durante los últimos 11 años afectaran su interacción.

Se presentará un documento que explica estos resultados en la conferencia Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), celebrada del 15 al 19 de septiembre en Washington, D.C., EE. UU.

Se están explorando fenómenos cuánticos para aplicaciones en informática, encriptación, detección y más, pero los investigadores aún no comprenden completamente la física detrás de ellos. El nuevo trabajo podría ayudar a avanzar en las aplicaciones cuánticas al mejorar las técnicas para sondear la mecánica cuántica.

Los físicos han lidiado durante mucho tiempo con diferentes ideas sobre las fuerzas que gobiernan nuestro mundo. Si bien las teorías de la mecánica cuántica han superado gradualmente a la mecánica clásica, muchos aspectos de la mecánica cuántica siguen siendo misteriosos. En la década de 1960, el físico John Bell propuso una forma de probar la mecánica cuántica conocida como la desigualdad de Bell.

La idea es que dos partes, apodadas Alice y Bob, realicen mediciones en partículas que se encuentran muy separadas pero conectadas entre sí a través de un enredo cuántico.

Si el mundo estuviera gobernado únicamente por la mecánica cuántica, estas partículas remotas estarían gobernadas por una correlación no local a través de las interacciones cuánticas, de modo que medir el estado de una partícula afecta el estado de la otra. Sin embargo, algunas teorías alternativas sugieren que las partículas solo parecen afectarse entre sí, pero que en realidad están conectadas por otras variables ocultas que siguen la física clásica, en lugar de la cuántica.

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Los investigadores crearon pares de fotones enredados y distribuyeron los dos fotones de cada par a dos estaciones de medición en direcciones opuestas. En cada estación de medición, un telescopio recibió los fotones de la fuente de radiación cósmica seleccionada, que está al menos a 11 años luz de la Tierra. Las señales de detección de fotones cósmicos generan bits aleatorios para las opciones de configuración de medición para la prueba de Bell sin lagunas. En este experimento, los investigadores cerraron las lagunas de detección y localidad, y aumentaron la restricción de tiempo para descartar modelos de variables ocultas locales a 11 años antes del experimento. (Crédito: Ming-Han Li, USTC, Shanghai)

Los investigadores han realizado muchos experimentos para probar la desigualdad de Bell. Sin embargo, los experimentos no siempre pueden ser perfectos, y existen lagunas conocidas que podrían causar resultados engañosos. Si bien la mayoría de los experimentos han respaldado firmemente la conclusión de que existen interacciones cuánticas, estas lagunas aún dejan una remota posibilidad de que los investigadores puedan estar afectando inadvertidamente variables ocultas, dejando así dudas.

En el nuevo estudio, Li y sus colegas demuestran formas de cerrar esas lagunas y agregar a la evidencia que la mecánica cuántica gobierna las interacciones entre las dos partículas.

"Realizamos una prueba de Bell sin lagunas con los ajustes de medición determinados por fotones cósmicos remotos. Así verificamos la integridad de la mecánica cuántica con alta probabilidad de confianza", dijo Ming-Han Li, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, quien es el autor principal del artículo.

Su configuración experimental incluye tres componentes principales: un dispositivo que envía periódicamente pares de fotones enredados y dos estaciones que miden los fotones. Estas estaciones son Alice y Bob, en el lenguaje de la desigualdad de Bell. La primera estación de medición está a 93 metros (305 pies) de la fuente del par de fotones y la segunda estación está a 90 metros (295 pies) en la dirección opuesta.

Los fotones enredados viajan a través de la fibra óptica monomodo a las estaciones de medición, donde su estado de polarización se mide con una célula de Pockels y los fotones se detectan mediante detectores de fotones únicos de nanocables superconductores.

Al diseñar su experimento, los investigadores trataron de superar tres problemas clave: la idea de que la pérdida y el ruido hacen que la detección no sea confiable (el vacío de detección), la idea de que cualquier comunicación que afecte las opciones de medición de Alice y Bob hace que la medición sea poco rentable (el vacío de la localidad) , y la idea de que una opción de ajuste de medición que no sea "verdaderamente libre y aleatoria" hace que el resultado pueda ser controlado por una causa oculta en el pasado común (la laguna de libertad de elección).

Para abordar el primer problema, Li y sus colegas demostraron que su configuración logró un nivel suficientemente bajo de pérdida y ruido al comparar las mediciones realizadas al comienzo y al final del viaje del fotón. Para abordar el segundo, construyeron la configuración experimental con una separación similar al espacio entre los eventos de elección de la configuración de medición. Para abordar el tercero, basaron sus elecciones de configuración de medición en el comportamiento de los fotones cósmicos de 11 años antes, lo que ofrece una gran confianza de que nada en el pasado compartido de las partículas, durante al menos los últimos 11 años, creó una variable oculta que afecta el resultado.

Combinando predicciones calculadas teóricamente con resultados experimentales, los investigadores pudieron demostrar las interacciones cuánticas entre los pares de fotones enredados con un alto grado de confianza y fidelidad. Por lo tanto, su experimento proporciona evidencia sólida de que los efectos cuánticos, en lugar de las variables ocultas, están detrás del comportamiento de las partículas. (Fuente: La Sociedad Óptica)

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