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| Sección parcial de la conexión cuántica de 30 metros de longitud entre dos circuitos superconductores. El tubo de vacío (centro) contiene una guía de ondas de microondas enfriada a unos -273 °C que conecta los dos circuitos cuánticos. Crédito: ETH Zurich / Daniel Winkler |
La superposición, el entrelazamiento y la no localidad constituyen características fundamentales de la física cuántica. El hecho de que la física cuántica no siga el principio de causalidad local puede demostrarse experimentalmente en las pruebas de Bell realizadas con pares de sistemas cuánticos entrelazados y separados espacialmente. Aunque las pruebas de Bell se han explorado utilizando una amplia gama de sistemas cuánticos a lo largo de los últimos 50 años, sólo hace relativamente poco que se han logrado experimentos libres de las denominadas lagunas.
La teoría de la "causalidad local" de Albert Einstein, desarrollada como reacción a la física cuántica, ha sido refutada por un equipo de investigadores dirigido por Andreas Wallraff, catedrático de Física del Estado Sólido de la ETH de Zúrich. Los investigadores han apoyado aún más la mecánica cuántica al demostrar que objetos mecánicos cuánticos distantes pueden estar mucho más estrechamente conectados de lo que es factible en los sistemas tradicionales.
La prueba de Bell se basa en un escenario experimental que el físico británico John Bell desarrolló por primera vez como experimento mental en la década de 1960. Bell pretendía dar respuesta a una disputa que los pioneros de la física ya habían entablado durante la década de 1930: ¿Son exactas las predicciones de la mecánica cuántica, totalmente contrarias al sentido común, o se cumplen también en el microcosmos atómico, como creía Albert Einstein?
Bell propuso realizar una medición aleatoria de dos partículas enredadas simultáneamente y compararla con la desigualdad de Bell para hallar la respuesta a esta pregunta. Estos experimentos siempre cumplen la desigualdad de Bell si la teoría de la causalidad local de Einstein es correcta. En cambio, la mecánica cuántica predice que irán en contra de ella.
La especialidad de este novedoso experimento es que los científicos han podido realizarlo por primera vez utilizando circuitos superconductores, que se consideran candidatos prometedores para construir potentes ordenadores cuánticos.
Para empezar, a pesar de ser mucho más grandes que minúsculas partículas cuánticas como fotones o iones, el experimento de los investigadores del ETH demuestra que los circuitos superconductores también siguen las reglas de la mecánica cuántica. El término "objetos cuánticos macroscópicos" se refiere a circuitos electrónicos superconductores que funcionan con microondas y tienen un tamaño de varios cientos de micrómetros.
Simon Storz, estudiante de doctorado del grupo de Wallraff, afirma: "Por otra parte, las pruebas de Bell también tienen un significado práctico. Las pruebas de Bell modificadas pueden utilizarse en criptografía, por ejemplo, para demostrar que la información se transmite cifrada. Con nuestro método, podemos demostrar de forma mucho más eficaz que con otros métodos experimentales que se incumple la desigualdad de Bell. Esto lo hace especialmente interesante para aplicaciones prácticas".
Para ello fue necesaria una sofisticada instalación de pruebas. Porque, para que la prueba de Bell no tenga fallos, deben asegurarse de que no pueda compartirse información entre los dos circuitos enredados antes de que finalicen las mediciones cuánticas. Dado que la luz es la única velocidad a la que puede enviarse información, la medición debe completarse en menos tiempo del que tarda una partícula de luz en desplazarse de un circuito a otro.
Es obligatorio mantener el equilibrio mientras se monta el experimento: Cuanto más espacio haya entre los dos circuitos superconductores, más larga será la ventana de medición y más complejo será el montaje experimental. Esto se debe a que todo el experimento debe realizarse en el vacío a temperaturas poco profundas.
Según los investigadores del ETH, la distancia más corta para completar una prueba de Bell sin lagunas es de unos 33 metros, ya que una partícula de luz tarda aproximadamente 110 nanosegundos en recorrer esta distancia en el vacío. Eso es unos pocos nanosegundos más que el tiempo de experimento de los científicos.
Los científicos evaluaron más de un millón de mediciones. Con extrema certeza estadística, los científicos han demostrado que la desigualdad de Bell se viola en esta configuración experimental.
En otras palabras, han demostrado que los circuitos superconductores pueden entrelazarse a gran distancia y que la mecánica cuántica permite correlaciones no locales en circuitos eléctricos macroscópicos. Esto ofrece interesantes posibilidades para la criptografía cuántica y la computación cuántica distribuida.
Los científicos han construido una impresionante instalación en los pasadizos subterráneos del campus de la ETH. Hay un criostato en cada uno de sus dos extremos. El criostato contiene un circuito superconductor. Estos dos aparatos de refrigeración están conectados por un tubo de 30 metros de largo cuyo interior se enfría a una temperatura justo por encima del cero absoluto (-273,15°C).
Cada medición comienza con la transmisión de un fotón de microondas de uno de los dos circuitos superconductores al otro, lo que implica la conexión de los circuitos. A continuación, la prueba de Bell utiliza generadores de números aleatorios para determinar qué medidas se realizan en los dos circuitos. A continuación se comparan los resultados de las medidas en ambos lados.
afirma Wallraff. "Pudimos financiar el proyecto a lo largo de seis años con fondos de una subvención avanzada del ERC". Enfriar todo el montaje experimental a una temperatura cercana a cero requiere un esfuerzo considerable. "Hay 1,3 toneladas de cobre y 14.000 tornillos en nuestra máquina, además de una gran cantidad de conocimientos de física e ingeniería".
Fuentes, créditos y referencias: