La luz de cuásares antiguos ayuda a confirmar el entrelazamiento cuántico

El cuásar data de menos de mil millones de años después del Big Bang. créditos de la Imagen: NASA / ESA / G.Bacon, STScI

El año pasado, físicos del MIT, la Universidad de Viena y de otros lugares brindaron un fuerte apoyo para el entrelazamiento cuántico, la idea aparentemente remota de que dos partículas, independientemente de cuán distantes estén en el espacio y el tiempo, pueden estar inextricablemente unidas, en una manera en la que desafía las reglas de la física clásica. 

Tomemos, por ejemplo, dos partículas que se sientan en los bordes opuestos del universo. Si están realmente entrelazadas, entonces de acuerdo con la teoría de la mecánica cuántica sus propiedades físicas deberían relacionarse de tal forma que cualquier medición hecha en una partícula transmita instantáneamente información sobre cualquier resultado de medición futuro de la otra partícula, correlaciones que Einstein vio con escepticismo como "acción espeluznante a distancia". 

La relación de indeterminación en Genius | National Geographic

En la década de 1960, el físico John Bell calculó un límite teórico más allá del cual tales correlaciones deben tener una explicación cuántica, en lugar de clásica. 

Pero, ¿y si tales correlaciones fueran el resultado no del enredo cuántico, sino de alguna otra explicación clásica oculta? Tales "qué pasaría si" son conocidos por los físicos como lagunas para las pruebas de la desigualdad de Bell, la más obstinada es la escapatoria de la "libertad de elección": la posibilidad de que alguna variable clásica oculta pueda influir en la medida que el experimentador elige para realizar en una partícula enredada, haciendo que el resultado se vea correlacionado cuánticamente cuando en realidad no lo es. 

El pasado febrero, el equipo del MIT y sus colegas restringieron significativamente la escapatoria de la libertad de elección, usando luz estelar de 600 años para decidir qué propiedades de dos fotones enmarañados medir. Su experimento demostró que, si un mecanismo clásico causaba las correlaciones que observaban, tendría que haberse puesto en marcha hace más de 600 años, antes de que la luz de las estrellas se emitiera por primera vez y mucho antes de que el experimento real siquiera se concibiera. 

Imagen Cortesía de los investigadores, MIT

Ahora, en un artículo publicado hoy en Physical Review Letters, el mismo equipo amplió enormemente el caso de enredos cuánticos y restringió aún más las opciones para el vacío de libertad de elección. Los investigadores usaron cuásares distantes, uno de los cuales emitió su luz hace 7.800 millones de años y el otro hace 12.200 millones de años, para determinar las mediciones que se realizarían en pares de fotones enredados. Encontraron correlaciones entre más de 30.000 pares de fotones, en un grado que superó con creces el límite que Bell calculó originalmente para un mecanismo de base clásica. 

"Si se está produciendo una conspiración para simular la mecánica cuántica por un mecanismo que es realmente clásico, ese mecanismo habría tenido que comenzar sus operaciones, de alguna manera sabiendo exactamente cuándo, dónde y cómo se iba a hacer este experimento, al menos hace 7,8 mil millones de años. Eso parece increíblemente inverosímil, por lo que tenemos pruebas muy sólidas de que la mecánica cuántica es la explicación correcta ", dice el coautor Alan Guth, profesor de Física Víctor F. Weisskopf en el MIT. 

"La Tierra tiene unos 4.500 millones de años, por lo que cualquier mecanismo alternativo, diferente de la mecánica cuántica, que podría haber producido nuestros resultados explotando esta laguna tendría que haber estado en su lugar mucho antes incluso de que hubiera un planeta Tierra, mucho menos un MIT ", agrega David Kaiser, profesor de Historia de la Ciencia de Germeshausen y profesor de física en el MIT. "Así que hemos empujado a cualquier explicación alternativa desde muy temprano en la historia cósmica". 

Los coautores de Guth y Kaiser incluyen a Anton Zeilinger y miembros de su grupo en la Academia de Ciencias de Austria y la Universidad de Viena, así como físicos en el Harvey Mudd College y la Universidad de California en San Diego. 

Una decisión tomada hace miles de millones de años 

En 2014, Kaiser y dos miembros del equipo actual, Jason Gallicchio y Andrew Friedman, propusieron un experimento para producir fotones entrelazados en la Tierra, un proceso que es bastante estándar en los estudios de mecánica cuántica. Planearon disparar a cada miembro del par enmarañado en direcciones opuestas, hacia detectores de luz que también harían una medición de cada fotón usando un polarizador. Los investigadores medirían la polarización u orientación del campo eléctrico de cada fotón entrante, configurando el polarizador en varios ángulos y observando si los fotones pasaban — un resultado para cada fotón que los investigadores podían comparar para determinar si las partículas mostraban las correlaciones de los patrones predichos por la mecánica cuántica. 

El equipo agregó un paso singular al experimento propuesto, que consistió en utilizar la luz de fuentes astronómicas antiguas y distantes, como estrellas y cuásares, para determinar el ángulo en el que establecer cada polarizador respectivo. A medida que cada fotón entrelazado estaba en vuelo, dirigiéndose hacia su detector a la velocidad de la luz, los investigadores utilizarían un telescopio ubicado en cada sitio del detector para medir la longitud de onda de la luz entrante de un cuásar. Si esa luz era más roja que alguna longitud de onda de referencia, el polarizador se inclinaría en un cierto ángulo para hacer una medición específica del fotón enredado entrante, una elección de medición que fue determinada por el cuásar. Si la luz del cuásar era más azul que la longitud de onda de referencia, el polarizador se inclinaría en un ángulo diferente, realizando una medición diferente del fotón enredado. 

En su experimento anterior, el equipo utilizó pequeños telescopios caseros para medir la luz de las estrellas a una distancia de 600 años luz. En su nuevo estudio, los investigadores usaron telescopios mucho más grandes y poderosos para atrapar la luz entrante de fuentes astrofísicas aún más antiguas y distantes: cuásares cuya luz ha viajado hacia la Tierra durante al menos 7.800 millones de años, objetos increíblemente lejanos. y sin embargo son tan luminosos que su luz puede ser observada desde la Tierra. 

Difícil sincronización 

El 11 de enero de 2018, "el reloj acababa de pasar la medianoche, hora local", como recuerda Kaiser, cuando alrededor de una docena de miembros del equipo se reunieron en la cima de una montaña en las Islas Canarias y comenzaron a recopilar datos de dos grandes 4 metros — todos los telescopios: el Telescopio William Herschel y el Telescopio Nazionale Galileo, ambos situados en la misma montaña y separados por alrededor de un kilómetro. 

Un telescopio se centró en un cuásar en particular, mientras que el otro telescopio miró a otro cuásar en un lugar diferente del cielo nocturno. Mientras tanto, los investigadores en una estación ubicada entre los dos telescopios crearon pares de fotones enredados y partículas emitidas desde cada par en direcciones opuestas hacia cada telescopio. 

En la fracción de segundo antes de que cada fotón enredado alcanzara su detector, la instrumentación determinó si un solo fotón que llegaba del cuásar era más rojo o azul, una medida que luego ajustaba automáticamente el ángulo de un polarizador que finalmente recibía y detectaba el entrante enredado. fotón. 

"El momento es muy complicado", dice Kaiser. "Todo tiene que suceder dentro de ventanas muy cerradas, actualizando cada microsegundo más o menos". 

Desmitificando un espejismo 

Los investigadores realizaron su experimento dos veces, cada uno durante aproximadamente 15 minutos y con dos pares diferentes de cuásares. Para cada ejecución, midieron 17.663 y 12.420 pares de fotones enredados, respectivamente. A las pocas horas de cerrar las cúpulas del telescopio y examinar los datos preliminares, el equipo pudo ver que había fuertes correlaciones entre los pares de fotones, más allá del límite que calculaba Bell, lo que indica que los fotones estaban correlacionados de una manera cuántica mecánica. 

Guth condujo un análisis más detallado para calcular la posibilidad, aunque leve, de que un mecanismo clásico pudiera haber producido las correlaciones observadas por el equipo. 

Calculó que, para la mejor de las dos carreras, la probabilidad de que un mecanismo basado en la física clásica pudiera haber logrado la correlación observada era de aproximadamente de 10 elevado a menos 20, 1e-20, es decir, aproximadamente una parte en cien billones de millones, "escandalosamente pequeña," dice Guth. A modo de comparación, los investigadores han estimado la probabilidad de que el descubrimiento del bosón de Higgs fuera solo una casualidad fortuita en uno de cada mil millones. 

"Ciertamente hicimos increíblemente inverosímil que una teoría realista local pudiera estar detrás de la física del universo", dice Guth. 

Y, sin embargo, todavía hay un pequeño resquicio, para el pretexto de la libertad de elección. Para limitarlo aún más, el equipo tiene ideas entretenidas de mirar aún más atrás en el tiempo, para usar fuentes como fotones cósmicos de fondo de microondas que se emitieron como radiación sobrante inmediatamente después del Big Bang, aunque tales experimentos presentarían una gran cantidad de nuevos desafíos técnicos. 

"Es divertido pensar en nuevos tipos de experimentos que podemos diseñar en el futuro, pero por ahora, estamos muy contentos de haber sido capaces de abordar este vacío de forma tan dramática. Nuestro experimento con cuásares impone restricciones muy apretadas en varias alternativas a la mecánica cuántica. Por extraño que parezca la mecánica cuántica, sigue coincidiendo con cada prueba experimental que podamos diseñar ", dice Kaiser. 

Esta investigación fue financiada en parte por la Academia de Ciencias de Austria, el Fondo de Ciencia de Austria, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Y el Departamento de Energía de EE. UU. 

Fuentes: MIT, Wikipedia, National Geographic,