Pregúntele a Ethan: ¿Qué es tan aterrador acerca del enredo cuántico?

Al crear dos fotones enredados en el sistema existente y luego dividirlos en una gran distancia, podemos obtener información sobre el estado de uno de ellos midiendo el estado del otro

La física cuántica está llena de acertijos, notorios por contradecir nuestra intuición. Las partículas parecen saber si las estás mirando o no, y exhiben diferentes comportamientos, dependiendo de si las estás mirando o no, pasando por una rendija doble. La medición de una sola cantidad, por ejemplo, la posición de una partícula, crea su incertidumbre inherente en una cantidad complementaria, por ejemplo, el momento. Y si mide su giro en la dirección vertical, destruya la información sobre la parte posterior en la dirección horizontal. Pero el más "aterrador" de todos los fenómenos cuánticos será el enredo cuántico, cuando una partícula parece instantáneamente "saber" si el compañero confundido con ella se midió, incluso si se hizo en el otro extremo del Universo. Esta semana veremos la pregunta del lector, intrigado por qué esto generalmente se considera un misterio.

Desde el punto de vista de los fotones, viajaron una distancia cero en tiempo cero. Entonces, ¿qué da miedo de esto? Hasta que uno de ellos sea medido, están en el mismo lugar y al mismo tiempo (si los cree), por lo que no se puede llamar un misterio que coordinen sus estados.

Razonamiento razonable: la dilatación del tiempo para las partículas que se mueven rápidamente significa que pueden coordinar sus estados a cualquier velocidad. Pero este enigma no es tan fácil de resolver.


Esquema del tercer experimento de Aspe para verificar la no localidad cuántica. Los fotones enredados de la fuente se envían a dos interruptores que los dirigen a sensores polarizadores. Los interruptores cambian rápidamente sus estados, cambiando la configuración del detector durante el vuelo de los fotones.

Primero, repasemos el tema del enredo. El experimento generalmente se lleva a cabo con fotones: se transmite un cuanto de luz a través de un material especial (cristal de dispersión), dividiéndolo en dos fotones. Estos fotones estarán enredados en cierto sentido, es decir, si uno tiene un giro, el momento angular interno es +1, entonces el otro tendrá -1. Pero cuál es desconocido para nosotros. Incluso puede hacer experimentos en los que, después de considerar una gran cantidad de fotones, la diferencia entre
• resultados estadísticos si spin +1,
• resultados estadísticos si el giro es -1,
• y resultados estadísticos en caso de que el giro permanezca indefinido.

Es muy difícil visualizar estos resultados, pero en la mecánica cuántica hay una analogía maravillosa: el paso de una partícula a través de un doble espacio.


Si los electrones, los fotones o cualquier otra partícula pasan a través de un doble espacio, surge un patrón de interferencia. ¡Pero esto solo sucede si no verifica por qué brecha pasan!

Si pasa una partícula a través de una rendija doble, es decir, una pantalla con dos ranuras estrechas que están muy cerca una de la otra, y pasa a través de ellas, en lugar de ser sostenida por la pantalla, puede determinar fácilmente dónde estará en el otro lado. Si lanza muchas partículas de una en una a través de una olla doble, encontrará que las partículas que pasan a través de las grietas forman un patrón de interferencia. En otras palabras, cada partícula no se comporta como si hubiera pasado a través de uno u otro espacio; se comporta como si pasara por las dos ranuras a la vez, interfiriera en sí misma como una ola y continuara moviéndose.

Pero esta imagen, que demuestra la extraña naturaleza mecánica cuántica de todas las partículas del Universo, aparece solo si no determina a través de qué espacio pasa la partícula.


Si determina a través de qué espacio pasa una partícula, dejando el resto del experimento sin cambios, no obtendrá una imagen de interferencia en absoluto.

Si, en cambio, mide una partícula a medida que pasa a través de una de las ranuras, esto se puede hacer instalando un contador, no obtendrá una imagen de interferencia. Obtendrá un montón de partículas correspondientes al paso a través de la ranura 1, y un montón para la ranura 2.


El patrón de onda de los electrones que pasan a través de un doble espacio uno a la vez. Si mide a través de qué espacio ha pasado un electrón, destruye la imagen de interferencia cuántica. Tenga en cuenta que para crear una imagen de este tipo se requiere más de un electrón.

En otras palabras, al tomar una medida que determina el camino elegido por la partícula, ¡cambia el resultado de esta elección! Para una partícula, solo puede determinar la probabilidad de pasar a través de la ranura 1, la ranura 2 o la interferencia consigo misma. Se necesitarán más estadísticas para descubrir el estado real de su experimento.


Prueba mecánica cuántica de Bell para partículas de espín de medio entero

De vuelta a los fotones confusos. O en general a cualquier partícula enredada. Crea dos partículas enredadas en las que conoce la cantidad total de sus propiedades, pero no las propiedades de cada una de ellas. El ejemplo más simple sería un giro: para dos fotones resultará (+1 y -1) o (-1 y +1), para dos electrones - (+ ½ y -½) o (-½ y + ½) - y usted no sabes cuál tendrá cada giro, hasta que lo midas. En lugar de espacios, puede enviarlos a través de un polarizador. Y tan pronto como mide uno, determina el otro. En otras palabras, lo sabes al instante.


Un experimento de borrado cuántico en el que dos partículas enredadas se separan y miden. Ninguna acción sobre una de las partículas en el destino afecta a la otra.

"Atemorizante" es el hecho de que en física nada más sucede instantáneamente. La velocidad de transmisión más alta de cualquier señal será igual a s, la velocidad de la luz en el vacío. Pero estas dos partículas enredadas se pueden dividir en metros, kilómetros, unidades astronómicas o años luz, y medir una de ellas determina instantáneamente el estado de la otra. No importa si las partículas enredadas se mueven con la velocidad de la luz o no, si tienen masa o no, cuánta energía tienen y si las aislan unas de otras para que no se envíen fotones entre sí. No hay lagunas que permitan que la velocidad de interacción en cualquier sistema de referencia compense de alguna manera esto. A fines de la década de 1990, los experimentos con la separación y la medición simultánea de estas partículas determinaron que si se transmite información entre ellas, entonces se mueve 10,000 veces más rápido que la velocidad de la luz.


Teletransportación cuántica, que a menudo se confunde con viajar más rápido que la luz. En realidad, la información no se transmite más rápido que la velocidad de la luz.

Pero esto no puede ser! En realidad, no se transmite información. Es imposible medir una partícula en un lugar y usarla para transmitir algo a una partícula ubicada muy lejos. Se han desarrollado muchos esquemas ingeniosos, concebidos para que, utilizando esta propiedad, transmitan información más rápido que la luz, pero en 1993 demostraron que este mecanismo no permitirá la transmisión de información. Hay una explicación simple para esto:

• Si mide "cuál es el estado de la partícula que tengo", sabrá el estado de otra partícula, pero no se puede hacer nada con esta información hasta que llegue a otra partícula o llegue a nosotros, y el mensaje tendrá que irse a la velocidad de la luz o más lento.
• Si fuerza a su partícula existente a tomar un cierto estado, esto no cambiará el estado de la partícula enredada. Por el contrario, destruirá el enredo, para que no aprenda nada sobre la segunda partícula.

[ Ethan no reveló completamente la esencia del problema. Todo lo anterior puede no sorprenderte si imaginas la analogía con los guantes. Alguien te envió un guante de un par y tu amigo otro. Y cuando abre su paquete, reconoce instantáneamente no solo qué guante, izquierdo o derecho, recibió, sino también lo que recibió su amigo. Sin embargo, en el caso de partículas enredadas, el estado de los guantes no se determina inicialmente. Y no solo no sabemos o no sabemos cómo determinarlo, en realidad se determina al azar y precisamente en el momento de medir uno de los "guantes". Entonces el otro "guante" asume instantáneamente el estado opuesto. Esto es lo que Einstein llamó "acción aterradora de largo alcance" / aprox. perev. ]


Si dos partículas están enredadas, las propiedades de sus funciones de onda se complementan entre sí, y la medición de una de ellas determina las propiedades de la otra. Pero si la función de onda es una descripción matemática abstracta, o si subyace a las verdades más profundas del Universo y la realidad determinista y fundamental, es una pregunta abierta.

Este es un problema filosófico para los realistas. Esto significa que la función de onda de una partícula, o la función de onda enredada de varias partículas, es un objeto físico real que existe y está evolucionando en el Universo, pero esto requiere una gran cantidad de suposiciones incómodas. Debe suponerse que hay un número infinito de realidades posibles, y que vivimos en solo una de ellas, aunque no hay evidencia de la existencia de otras. Si usted es un instrumentista (como autor; es más simple y más práctico), no tiene este problema filosófico. Simplemente da por sentado que la función de onda es una herramienta para los cálculos.


Einstein era un realista convencido en materia de mecánica cuántica, y se llevó este prejuicio a la tumba. No se encontró evidencia para apoyar su interpretación de la mecánica cuántica, aunque ella todavía tiene muchos seguidores.

Steven Weinberg, galardonado con el Premio Nobel, cofundador del Modelo Estándar y un físico teórico genio en muchos campos, recientemente condenó el enfoque instrumentalista en Science News, describiéndolo así:

Es tan terrible imaginar que no tenemos conocimiento de todo lo que existe; podemos decir lo que sucedió solo tomando una medida.

Pero independientemente de sus evasiones filosóficas, el trabajo de la mecánica cuántica y la función de onda, que entrelaza las partículas, le permite destruir este enredo, incluso a distancias cósmicas. Este es el único proceso instantáneo en el Universo que conocemos y, por lo tanto, ¡realmente se distingue!

Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].