La teoría cuántica sobrevive a su último desafío

Por Kanijo


Desde que se formuló por primera vez la mecánica cuántica, una lista de físicos, incluyendo a Albert Einstein, se han sentido incómodos con la idea del entrelazamiento – donde un grupo de partículas cuánticas tiene una relación más estrecha de la permitida en la física clásica. Como resultado, algunos físicos han propuesto teorías alternativas sin la necesidad de la mecánica cuántica. Aunque ha sido difícil poner a prueba estas teorías, unos investigadores del Reino Unido han usado “luz curvada” para hacer una importante medida que respalda la teoría cuántica.
La teoría cuántica parece ser ajena a nuestra experiencia cotidiana, debido a que desafía nuestra idea de “realismo” – la expectativa de que los objetos tienen propiedades definidas dependiendo de si los estamos mirando o no. La teoría cuántica también parece invocar entidades que pueden reaccionar instantáneamente a un evento, sea cual sea el lugar en el que ocurra – desafiando aparentemente el principio de localidad, que prohíbe una comunicación más rápida que la velocidad de la luz.
Estas rarezas fueron expresadas matemáticamente por el físico John Bell en su famosa desigualdad. Bell demostró que una combinación concreta de medidas realizadas en pares de partículas preparados idénticamente, produciría un vínculo numérico (o desigualdad) que se satisface por todas las teorías físicas que obedecen al realismo y localidad. También demostró, sin embargo, que este vínculo se viola en las predicciones de la física cuántica para pares entrelazados de partículas.
En los experimentos de Bell dos observadores alejados entre sí medían, por ejemplo, la polarización de partículas entrelazadas a lo largo de direcciones distintas, y calculaban las correlaciones entre ellas. Esto se hizo en la década de 1970, por parte de Stuart Freedman y John Clauser y en la década de 1980 por Alain Aspect, quien usó fotones entrelazados para confirmar la teoría cuántica.
Sacrificar la localidad por el realismo
Los físicos han aceptado generalmente que el mundo cuántico desobedece el “realismo local”, pero en 2003, Anthony Leggett de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign intentó restaurar el realismo sacrificando la localidad. Si dos entidades pueden ordenar sus correlaciones a través de comunicación instantánea, entonces, tal vez, es posible que cada una tenga propiedades definidas. El escenario real pero no local de Leggett pasa el test de Bell pero, ¿podría realmente describir el mundo cuántico?
Cuatro años más tarde, físicos de Austria, Suiza y Singapur, respondieron con datos. En lugar de medir los estados de polarización lineal usados para violar la desigualdad de Bell, buscaron correlaciones entre polarizaciones elípticas – combinaciones de estados circulares y lineales. Incluso asumiendo que los fotones entrelazados podrían responder al otro de forma instantánea, las correlaciones entre los estados de polarización aún se violarían en la desigualdad de Leggett. La conclusión es que la comunicación instantánea no es suficiente para explicar el entrelazamiento y, por tanto, debe abandonarse también el realismo.
Esta conclusión se ve ahora respaldada por Sonja Franke-Arnold y sus colegas de la Universidad de Glasgow y la Universidad de Strathclyde que han realizado otro experimento que demuestra que los fotones entrelazados exhiben correlaciones más fuertes que las permitidas para partículas con propiedades individualmente definidas – incluso si se les permite comunicarse constantemente. Pero en lugar de la polarización, estudiaron las propiedades del momento angular orbital de cada fotón.
Curvando la luz
En los fotones, el momento angular orbital puede comprenderse imaginando que las ondas se curvan alrededor del eje del haz. Puede describir un patrón simple en forma de sacacorchos, una doble hélice o hélices más complejas con mayor momento angular. Franke-Arnold y su equipo se centraron en el patrón de doble hélice.
La estudiante de Glasgow Jacquie Romero realizó el experimento disparando un láser ultravioleta sobre un cristal óptico diseñado para dividir los fotones de alta energía en fotones infrarrojos entrelazados. Estos pasaron a hologramas controlados por ordenador, los cuales estaban configurados para filtrar estados de momento orbital angular complementarios. Los fotones que pasaron los hologramas fueron contados por un detector de fotones aislados.
La correlación entre los dos fotones entrelazados, uno con un momento orbital-angular en sentido horario y el otro antihorario, se predice mediante las propuestas de Bell y Leggett así como con la teoría cuántica. “Deliberadamente desalineamos nuestros hologramas de los estados complementarios y medidos las correlaciones resultantes”, explica Franke-Arnold. La coincidencia observada en el detector ocurrió demasiado a menudo para concordar con la teoría de Leggett. Sin embargo, estaba de acuerdo con las predicciones cuánticas.
‘Un resultado filosófico’
“El resultado principal es realmente uno filosófico”, dice Franke-Arnold. Las partículas entrelazadas no pueden describirse como entidades individuales, ni siquiera con una conexión telepática entre sus compañeras.
Simon Gröblacher de la Universidad de Viena señala que estos experimentos descartan el realismo sólo para un gran grupo de teorías no locales – aunque otras no está descritas por la desigualdad de Leggett. Su equipo demostró por primera vez la violación de la desigualdad de Leggett a través de la polarización de fotones, y dice que es genial ver verificada esta violación con otra propiedad de los fotones. “Los experimentos parecen ser más simples”, añade, señalando que el momento orbital-angular ofrece opciones para poner a prueba superposiciones de más de dos estados.
El trabajo se describe en New Journal of Physics 12 123007 12 123007.
Autor: Kate McAlpine

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