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Entrelazamiento cuántico macroscópico

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Entrelazamiento cuántico macroscópico

Área: Física — Viernes, 2 de Diciembre de 2011
Consiguen entrelazamiento cuántico, a centímetros de distancia y temperatura ambiente, entre dos láminas de diamante de tamaño macroscópico.
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Una de las láminas de diamante usadas en el experimento. Fuente: CQT.
En estas semanas se han producido varias noticias acerca de la Mecánica Cuántica, un campo que últimamente está experimentando un florecimiento debido a la posibilidad de que algún día se pueda conseguir la computación cuántica. Esto es una prueba de que para que un campo de la ciencia avance sólo se necesita financiación.
El caso es que según un resultado publicado en Science se ha conseguido el entrelazamiento cuántico a temperatura ambiente entre los fonones de dos láminas de diamante de milímetros de tamaño separadas nada menos que 15 cm entre ellas. Esto es algo asombroso dadas las escalas de tamaño implicadas, ya que no se trata ya de sistemas mesoscópicos, sino macroscópicos que se pueden ver a simple sin ninguna dificultad. El precio a pagar es que sólo pueden mantener este entrelazamiento unos pocos picosegundos. 
Aunque se vienen observando entrelazamientos a distancias de centímetros o mayores entre partículas o fotones, ésta es la primera vez en la que se informa de algo así entre sistemas de tamaño milimétrico. El entrelazamiento a esta escala ejemplifica las dificultades de coexistencia entre el mundo microscópico regido por la MC y el mundo macroscópico regido por la Mecánica Clásica. Los átomos obedecen claramente las leyes cuánticas, mientras que los gatos o diamantes obedecen claramente la Mecánica Clásica. La realidad es que los objetos macroscópicos no suelen exhibir entrelazamiento o superposición de estados. Al menos nadie los había visto hasta ahora.
Normalmente esto se explica echando mano de la decoherencia, según la cual las múltiples interacciones entre el objeto y su entorno destruye la coherencia, la superposición y el entrelazamiento. En este caso, los estados cuánticos de los fonones en estos diamantes estarán sometidos a la interferencia de las fluctuaciones térmicas que destruirían toda posible coherencia cuántica y que harían que el sistema exhibiera sólo aspectos clásicos.
Recordemos que un fonón no es más que un estado de vibración en una red cristalina. Los fonones se pueden tratar como si fueran partículas cuánticas y de ahí la analogía fonética con los fotones. Digamos que en un sistema ideal de este tipo las láminas cristalinas de diamante pueden vibrar de una manera determinada, como si fuera un tambor. Pero al tratarse de un fenómeno cuántico no tendrán libertad total de vibración, sino que sólo ciertos modos de vibración estarán permitidos. Pero el calor no es más que una agitación de la red cristalina que puede destruir este fenómeno, sobre todo si tenemos en cuenta los tamaños implicados. Normalmente en otros experimentos de este tipo se enfría el sistema hasta cerca del cero absoluto de temperatura para que así el calor no dé al traste con la coherencia cuántica.
El entrelazamiento permite la famosa acción a distancia que tanto odiaba Einstein, de tal modo que, de alguna manera, dos partículas parecen “comunicarse” de algún modo entre sí de forma instantánea, aunque como no se transmite información no se viola la causalidad relativista. Esto es algo que se había demostrado experimentalmente con partículas.
Si mandamos dos fotones entrelazados en una superposición de estados de polarización uno hacia una estrella y otro hacia otra en sentido opuesto entonces hipotéticos alienígenas realizando la misma medida obtendrán el mismo resultado. Esto parece todavía más loco cuando quién de los dos realiza la medida primero depende del sistema de referencia. Ya lo dijo Richard Feynman una vez: “I think I can safely say no one understands quantum mechanics”. Así que el lector no debe preocuparse en exceso si no entiende bien el anterior párrafo.
Pues bien, Ian Walmsley, Ka Chung Lee y Michael Sprague (de las Universidades Oxford, Nacional de Singapur y del Consejo de Investigación Nacional de Canadá respectivamente) han conseguido que dos láminas de diamantes de 3 mm de ancho y 1 de grosor estén entrelazadas cuánticamente a 15 cm una de otra. Lo más increíble es que han logrado todo esto a temperatura ambiente. Por esta razón eligieron el diamante para este experimento. Los estados de vibración en las láminas de este material se dan a una frecuencia muy por encima de las oscilaciones térmicas y, por tanto, la coherencia cuántica se ve menos afectada por el calor.
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Para poder inducir esas vibraciones y leerlas los investigadores usaron haces láser pulsados de pulsos ultracortos (de 100 femtosecondos). Además, al ser los diamantes transparentes, se facilitaban las medidas.
Un primer pulso láser inducía estados vibracionales en las láminas. Si las láminas de diamante se comportan como objetos cuánticos en este montaje entonces deben de compartir un modo de vibración entre ellas, es como si ambos diamantes estuvieran vibrando y no vibrando al mismo tiempo.
Para demostrar este entrelazamiento los investigadores lanzaban un segundo pulso láser justo un poco de tiempo después del primero. Este pulso extrae cierta energía que el primer pulso dejó ahí, que llegaría al detector como fotones con energía extra.
Si el sistema fuera clásico el detector encontraría esos fotones extraenergéticos sólo la mitad de las veces, pero en 200 billones de intentos los investigadores encontraron casi siempre esos fotones extraenergéticos. La estadística que tienen les lleva a concluir que el sistema se comporta cuánticamente con un nivel de confianza del 98%. La parte negativa es que el entrelazamiento en este sistema sólo lo pudieron mantener durante una fracción de tiempo muy pequeña (se podría bromear y decir que la vibración de los diamantes no es para siempre). Pero quizás esto pueda ser mejorado en el futuro.
En experimentos previos con tambores de Schrödinger se trabajó, como máximo, con láminas de 0,06 mm de longitud al cero absoluto.
Este resultado difumina la frontera entre el mundo cuántico y clásico y nos habla de cómo el mundo clásico emerge del cuántico. Además, apunta a que algún día pueda ser posible la realización de la computación cuántica de un modo práctico, quizás incluso en un dispositivo de estado sólido a temperatura ambiente.
Por otro lado, ya se especula con un tambor de Schrödinger hecho con grafeno que experimente efecto túnel.
Esperemos que los políticos (o sus asesores) sigan creyendo que es posible la computación cuántica y que así financien este tipo de investigación básica, tipo de investigación que nunca se hace en las “empresas”, algo que no está mal recordar en estos tiempos en los que la democracia y lo público ha dejado paso a los “mercados”.
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Fuentes y referencias:
Artículo original.

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Thalia