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El siglo XXI ha sido sin duda la era de la ciencia cuántica. La mecánica cuántica nació a principios del siglo XX y se ha utilizado para desarrollar tecnologías sin precedentes que incluyen la información cuántica, la comunicación cuántica, la metrología cuántica, la imagen cuántica y la detección cuántica. Sin embargo, en la ciencia cuántica aún quedan cuestiones sin resolver e incluso inaprensibles como la dualidad onda-partícula y la complementariedad, la superposición de funciones de onda, el colapso de la función de onda tras la medición cuántica, el entrelazamiento de la función de onda compuesta, etc.
Para probar cuantitativamente el principio fundamental de la dualidad onda-partícula y la complementariedad, se necesita un sistema compuesto cuántico que pueda ser controlado por parámetros experimentales. Hasta ahora, ha habido varias propuestas teóricas después de que Neils Bohr introdujera el concepto de "complementariedad" en 1928, pero solo unas pocas ideas han sido probadas experimentalmente, detectándose en ellas patrones de interferencia con poca visibilidad. Así pues, el concepto de complementariedad y dualidad onda-partícula sigue siendo esquivo y aún no se ha confirmado del todo experimentalmente.
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| Dos cristales SPDC, PPLN1 y PPLN2, son bombeados y sembrados simultáneamente por los mismos láseres coherentes de bombeo y semilla, respectivamente, lo que da lugar a la emisión de dos fotones de señal s1 o s2 para la detección de interferencia cuántica en DP. A continuación, los fotones ociosos conjugados i1 e i2 proporcionan la información de qué camino (o qué fuente), donde la pureza de la fuente controlable está determinada por el solapamiento entre el SPACS de uno de los modos ociosos y el estado coherente inalterado de otro modo ocioso. Los detectores DA y DB pueden detectar dos campos ociosos de forma independiente. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas |
Para abordar esta cuestión, un equipo de investigación del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur) construyó un interferómetro de doble trayectoria compuesto por dos cristales de conversión descendente paramétrica sembrados por campos ociosos coherentes, que se muestra en la Figura1. El dispositivo genera fotones de señal coherentes (cuantones) que se utilizan para la medición de la interferencia cuántica. Los cuantones recorren dos caminos distintos antes de llegar al detector. Los campos ociosos conjugados se utilizan para extraer la información del camino con una fidelidad controlable, lo que resulta útil para dilucidar cuantitativamente la complementariedad.
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| (A) Relación de complementariedad cuantitativa P2 + V2 = μs2 con respecto a γ = ∣α2∣ / ∣α1∣ y ∣α∣ = ∣α2∣. Aquí, la predictibilidad de la trayectoria P representa el comportamiento tipo partícula, mientras que la visibilidad de la franja V representa el comportamiento tipo onda del quantón en el interferómetro de doble trayectoria. La totalidad de la complementariedad está limitada por la pureza de la fuente. (B) La pureza de la fuente μs del cuantón (fotón señal) y el entrelazamiento E entre el cuantón y el detector de qué camino (qué fuente) forman otra relación de complementariedad μs2 + E2 = 1. Estas dos medidas se representan con respecto a γ = ∣α2∣ / ∣α1∣ y ∣α∣ = ∣α2∣. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas |
En un experimento real, la fuente de cuantones no es pura debido a su entrelazamiento con los restantes grados de libertad. Sin embargo, la pureza de la fuente de cuantones está estrechamente limitada por el entrelazamiento entre los cuantones generados y todos los demás grados de libertad por la relación μs = √(1-E2), que los investigadores confirmaron experimentalmente.
La dualidad onda-partícula y la complementariedad cuantitativa P2 + V2 = μs2 (P, predictibilidad a priori; V, visibilidad) se analizaron y probaron utilizando este sistema de fuente bifotónica no lineal entrelazada (ENBS), en el que los estados de superposición de los cuantones se entrelazan mecánicamente de forma cuántica con estados ociosos conjugados de forma controlable. Se demostró que la predictibilidad a priori, la visibilidad y el entrelazamiento (por tanto, la pureza de la fuente y la fidelidad en nuestro modelo ENBS) dependen estrictamente del número de fotones del haz semilla. Esto apunta a la potencial aplicación de este enfoque para la preparación de estados fotónicos entrelazados distantes.
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| Los puntos azules son datos experimentales tomados del reciente artículo del equipo. Los datos experimentales coinciden con la visibilidad V, no con la visibilidad a priori V0 en todos los rangos de γ y |α|. Este gráfico valida el análisis del equipo de los resultados experimentales de la ENBS en términos de la dualidad onda-partícula y las relaciones de complementariedad cuantitativa. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas |
Richard Feynman afirmó en una ocasión que la resolución del rompecabezas de la mecánica cuántica reside en la comprensión del experimento de la doble rendija. Se prevé que la interpretación basada en los experimentos de interferometría de doble trayectoria con ENBS tendrá implicaciones fundamentales para comprender mejor el principio de complementariedad y la relación de dualidad onda-partícula de forma cuantitativa.
Fuentes, créditos y referencias:
Quantitative Complementarity of Wave-Particle Duality, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abi9268