Logran el entrelazamiento cuántico de dos fonones en sendos diamantes separados 15 centímetros

Observar el entrelazamiento cuántico entre objetos macroscópicos a temperatura ambiente parece casi imposible, debido a la decoherencia cuántica. Lee et al. publican en Science la primera observación del entrelazamiento cuántico entre los fonones (modos cuánticos de oscilación de los átomos en un cristal) de dos muestras de diamante de pocos milímetros de diámetro separados unos 15 centímetros de distancia. A temperatura ambiente las fluctuaciones térmicas destruyen la coherencia de un sistema cuántico, transformándolo en clásico (las correlaciones cuánticas se transforman en estadísticas). Lee et al. han logrado el entrelazamiento cuántico durante 7 ps (picosegundos o billonésimas de segundo). El secreto es que en el diamente los fonones oscilan a frecuencias muy altas, lo que les protege de las fluctuaciones térmicas a temperatura ambiente. Gracias a ello no ha sido necesario enfriar el experimento a temperaturas próximas al cero absoluto (habituales cuando se habla de propiedades cuánticas de sistemas macroscópicos). Para producir los fonones se han excitado los diamantes con láseres ópticos ultrarrápidos (pulsos ópticos separados 0,35 ps), que también se han utilizado para la detección del entrelazamiento. Nos lo cuenta L.-M. Duan, “Physics: Quantum Correlation Between Distant Diamonds,”Science 334: 1213-1214, 2 Dec. 2011,  que se hace eco del artículo técnico de K. C. Lee et al., “Entangling Macroscopic Diamonds at Room Temperature,” Science 334: 1253-1256, 2 Dec. 2011. También merece la pena leer a John Matson, “Quantum Entanglement Links Two Diamonds. Usually a finicky phenomenon limited to tiny, ultracold objects, entanglement has now been achieved for macroscopic diamonds at room temperature,” Scientific American, Dec. 1, 2011.

El método usado por Lee y sus colegas para producir el entrelazamiento entre los dos diamantes macroscópicos aparece en la figura que abre esta entrada. Gracias a este nuevo método se ha logrado un entrelazamiento con una calidad del 98%, lo que demuestra que el entrelazamiento cuántico es un fenómeno que también se puede observar en el mundo macroscópico, lo que ofrece esperanzas en computación cuántica e información cuántica. Obviamente, 7 picosegundos es un tiempo muy corto para cualquier aplicación práctica y habrá que buscar maneras de alargar este tiempo. Los autores creen que utilizando tecnologías láser de pulsos aún más cortos podrán alargar el tiempo en el que el sistema cuántico se mantiene coherente.

Les  recuerdo que el entrelazamiento cuántico es un fenómeno por el cual dos o más objetos comparten un vínculo invisible que los relaciona incluso más allá de lo que la causalidad relativista permite (el vínculo se observa incluso si se separan los dos sistemas una distancia mayor que lo que permite la transmisión de una señal lumínica entre ambos sistemas). Los autores del artículo han logrado entrelazar los estados vibratorios de las estructuras cristalinas de dos diamantes macroscópicos. Para ello han enviado un pulso óptico que ha inducido un fonón, la vibración cuántica de menor energía de la estructura cristalina de un sólido, en cada diamante.  El experimento logra entrelazar los estados vibratorios de los dos diamantes macroscópicos de tal forma que cuando el láser excita un fotón es imposible saber si dicho fotón se encuentra en un diamante o en el otro, como indica Ian Walmsley, físico experimental de la Universidad de Oxford y coautor del artículo. El fonón, desde el punto de vista cuántico, pertenece a ambos diamantes de forma simultánea. Para verificar que se ha logrado el entrelazamiento se han utilizado pulsos ópticos de prueba que se han hecho incidir sobre cada uno de los diamantes. El fotón incide sobre el fonón y cambia su energía (frecuencia) de tal forma que solo se puede explicar si se ha producido el entrelazamiento cuántico.

La mecánica cuántica viola los preceptos de nuestra intuición clásica. Puede parecer que el fonón debe estar excitado en uno de los diamantes y no en el otro, pero si se asume este hecho, los cálculos indican que los resultados de las medidas en este experimento deberían ser diferentes a las observadas. La única manera de explicar las probabilidades de las medidas de la energía del fotón de prueba es considerar que se ha logrado un entrelazamiento entre (los estados vibratorios de) ambos diamantes. Esto es similar al experimento de la doble rendija. Si sabemos por qué rendija pasa un fotón, el resultado será diferente que si consideramos que todo ocurre como si el fotón pasara por ambas rendijas de forma simultánea.

¿Por qué se ha observado el entrelazamiento con un 98% de confianza estadística? Este tipo de experimentos es muy delicado y no se puede obviar la posibilidad de que haya correlaciones “ocultas” que expliquen el resultado observado sin que haya habido un entrelazamiento cuántico como tal. Aún así, un 98% es un nivel de confianza suficientemente alto en este tipo de experimentos como para poder afirmar que se ha logrado con éxito el entrelazamiento cuántico (la seguridad del 100% es casi imposible en este tipo de experimentos). Pero por supuesto, podría ocurrir que por una fluctuación estadística se hubiera observado una correlación accidental (los autores han estimado que solo hay una probabilidad de 1 entre 50, o del 2%). Los posibles loopholes en estos experimentos son imposibles de evitar. Sin embargo, el 98% ha sido suficiente para que este resultado haya merecido ser publicado en la prestigiosa revista Science.

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Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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