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Actualidad científica

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  • 04/02/2013

Mecánica cuántica

Borrado cuántico sin conexión causal

Dos experimentos confirman que las correlaciones cuánticas persisten fuera del cono de luz.

PNAS

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Esquema de un borrador cuántico: Una fuente (S) crea pares de fotones entrelazados. Uno de ellos se dirige hacia un interferómetro en el que podrá tomar dos caminos posibles (derecha); el otro, hacia un polarizador distante (izquierda). Si se mide la polarización lineal de este último (configuración «0»), puede saberse qué camino ha tomado el fotón compañero en el interferómetro. Pero si se mide su polarización circular (configuración «1»), dicha información desaparece, o «se borra». [De «Quantum erasure with causally disconnected choice». X.-S. Ma et al. en PNAS, 110 (4), págs. 1221-1226.]

En el experimento de la doble rendija, un fotón se comportará como una onda o como una partícula dependiendo del montaje experimental: si decidimos medir por qué rendija ha pasado, mostrará su naturaleza corpuscular; si optamos por ignorar esa información, exhibirá un comportamiento ondulatorio. El «borrador cuántico» (quantum eraser) es una variante de dicho experimento en la que la información del camino tomado por el fotón se obtiene en un dispositivo o laboratorio auxiliar que, en principio, puede estar tan alejado como deseemos de la doble rendija. Dicha información puede también «borrarse», lo cual da lugar a resultados aparentemente paradójicos y plantea algunas preguntas sobre la relación causal entre los resultados de las mediciones y el comportamiento del fotón.

En un artículo publicado el pasado 22 de enero en la revista PNAS, el grupo de Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, ha referido los resultados de dos experimentos de borrado cuántico realizados en condiciones extremas. Uno de ellos tuvo lugar en 2007 en Viena, con una separación de 55 metros entre ambos laboratorios. El otro, realizado en 2008, se efectuó entre las islas de Tenerife y La Palma, a una distancia de 144 kilómetros. Aunque los experimentos no son recientes (ya habían sido presentados por los investigadores en varios congresos, si bien parece que hasta ahora no se habían decidido a enviarlos a una revista técnica), los autores explican en su artículo que se trata de la primera vez que un se excluye la posibilidad de una comunicación relativista entre ambos laboratorios.

Interferencia fotón a fotón

En el experimento tradicional de la doble rendija, a un fotón se le permite tomar dos caminos: la rendija A o la rendija B. Después, su trayectoria prosigue hasta llegar a una placa fotográfica, donde al impactar dejará un pequeño punto que indicará su lugar de llegada. Si el experimento se repite con un gran número de fotones lanzados de uno en uno, los sucesivos puntos que irán apareciendo sobre la placa acabarán dibujando un patrón de franjas claras y oscuras, característico de un fenómeno de interferencia. Dicho resultado puede explicarse diciendo que cada uno de los fotones se ha comportado como una onda, ha «tomado ambos caminos a la vez» y ha interfiriendo consigo mismo antes de llegar a la placa. Sin embargo, si tras cada una de las rendijas situamos un detector, observaremos que los fotones pasan o bien por la rendija A, o bien por la B, pero nunca por ambas a la vez. El comportamiento ondulatorio desaparece y los fotones muestran una naturaleza corpuscular.

Podríamos pensar que el cambio en el comportamiento del fotón se debe a la interacción con los detectores. Sin embargo, existen maneras para averiguar qué senda ha tomado el fotón sin interaccionar directamente con él. En tales casos, la mera posibilidad de deducir qué camino ha seguido destruirá también el patrón de interferencia.

Borradores cuánticos

Para efectuar sus experimentos, el grupo vienés dispuso una fuente que creaba pares de fotones entrelazados. Uno de ellos, denominado fotón de señal, se dirigía hacia un interferómetro (el equivalente a la doble rendija). El segundo, denominado fotón auxiliar, salía despedido en otra dirección para incidir, más tarde, sobre un dispositivo que mediría su polarización (véase la figura).

Ambos fotones estaban entrelazados, por lo que sus propiedades no eran independientes. De hecho, los físicos ajustaron el montaje de tal manera que una medida de la polarización lineal del fotón auxiliar revelase qué camino había tomado el fotón de señal: una polarización horizontal (H) del fotón auxiliar indicaba que el fotón de señal había tomado el camino A, mientras que una polarización vertical (V) revelaba que el fotón de señal había discurrido por el camino B. De esta manera, y aun sin interaccionar directamente con él, los investigadores podían saber qué camino había tomado el fotón de señal. Como consecuencia, en estos casos el patrón de interferencia desaparece.

Pero ¿qué ocurre si en lugar de medir la polarización lineal del fotón auxiliar, se decide medir su polarización circular? La polarización circular de un fotón puede ser levógira (L) o dextrógira (R), las cuales resultan ser combinaciones lineales de H y V. En notación simplificada, podemos decir que R = H+V y L = HV. Por tanto, si decide medirse la polarización circular del fotón auxiliar, la información relativa a H o V «se borra» y, con ella, desaparecerá también la información del camino tomado por el fotón de señal. ¿Qué ocurre entonces en el interferómetro?

Si con la ayuda de un contador de coincidencias se recopilan todos los fotones de señal asociados a los fotones auxiliares con polarización R, se observa que aquellos sí generan un patrón de interferencia, ya que es imposible saber qué camino tomó cada uno. Por otro lado, si se reconstruye la señal asociada únicamente a los fotones auxiliares L, también aparece un patrón de interferencia, pero opuesto al anterior (con máximos donde antes había mínimos, y viceversa). Por tanto, si se incluyen todos los fotones en el recuento, el patrón de interferencia se cancela, tal y como ocurriría si decidiésemos medir H y V para todos los fotones. Es decir, qué tipo de polarización decida medir un experimentador en Tenerife no afectará a la señal total registrada en el interferómetro de la Palma. Sin embargo, si nos empeñamos en interpretar dicha señal en términos de un comportamiento ondulatorio o corpuscular de los fotones individuales, sí deberemos esperar a que lleguen los datos de Tenerife.

Los resultados referidos por el grupo vienés confirman que las correlaciones cuánticas son independientes de que entre ellas exista o no un vínculo causal, al menos si este es relativista. De hecho, una hipotética señal superlumínica que se hubiese propagado entre Tenerife y La Palma tendría que haber alcanzado una velocidad 96 veces mayor que la de la luz. Los autores concluyen subrayando que una explicación que adscribiese a los fotones propiedades intrínsecas antes de la medida requeriría la existencia de tales comunicaciones superlumínicas, por lo que abogan por «abandonar por completo» las interpretaciones realistas de la mecánica cuántica. En otras palabras, la teoría de la relatividad hace imposible interpretar la mecánica cuántica tal y como al propio Einstein le hubiera gustado.

Más información en Proceedings of the National Academy of Sciences USA (acceso abierto).

—IyC

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