jueves, 4 de junio de 2009

El universo cuántico se amplia: entrelazamiento entre osciladores mecánicos.


Los resultados presentados hoy en Nature por un grupo de físicos del NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los Estados Unidos) confirman experimentalmente que es posible conseguir un entrelazamiento cuántico entre osciladores mecánicos separados, lo que puede considerarse un desplazamiento de la frontera entre lo cuántico y lo clásico. Las técnicas desarrolladas pueden ser importantes para la construcción de procesadores cuánticos de información usando iones atómicos. 

¿Dónde está el límite entre el mundo cuántico y el clásico? ¿En qué sistemas es necesario recurrir a la mecánica cuántica y en qué otros es suficiente hacer uso de la mecánica clásica? Nadie puede decirlo con certeza pero podemos intentar establecer un criterio que, aunque arbitrario, nos permita distinguir entre uno y otro. Podemos usar una propiedad típicamente cuántica, como el entrelazamiento, y aquellos sistemas que la presenten serán cuánticos y los que no, clásicos. Pues bien, si usamos este criterio, la noticia hoy es que el límite entre los dos mundos se ha desplazado. 

El entrelazamiento cuántico es una de las propiedades de la mecánica cuántica que hicieron que a Einstein no le gustase la teoría. De hecho este fenómeno fue descrito en un artículo publicado en 1935 por el propio Einstein junto a Podolsky y Rosen como un intento de reducción al absurdo de las posiciones respecto a la teoría cuántica de Niels Bohr. 

El entrelazamiento cuántico es un concepto nada intuitivo pero que está comprobado experimentalmente. Consiste en que los estados cuánticos de un objeto están íntimamente relacionados con los de otro objeto con el que está entrelazado, de tal manera que lo que le ocurra a uno tendrá su correlación en el otro, instantáneamente e independientemente de la distancia que los separe. Los objetos entrelazados no tienen necesariamente que tener las mismas propiedades, sino propiedades que estén ligadas de forma predecible. 

¿Por qué no observamos el entrelazamiento cuántico en la naturaleza? Una posible respuesta es por nuestra incapacidad para aislar el sistema objeto de estudio del ambiente, lo que no deja de ser una limitación técnica. Otra es que exista un mecanismo aún por descubrir que impide la formación de estados entrelazados macroscópicos, lo que puede depender del número de constituyentes individuales del sistema o de los tipos de grados de libertad que se entrelazan. Esta última posibilidad es la que se ha explorado en el artículo que nos ocupa. 

En la investigación que presentan  John Jost y sus colaboradores dos osciladores mecánicos, constituidos cada uno por un par de iones (berilio y magnesio) que vibran (para visualizarlo: dos bolas conectadas por un muelle que se acercan y se alejan continuamente), aparecen entrelazados, que no sincronizados, vibrando al unísono aunque estén separados físicamente por 240 micras (un mundo a escala atómica, como comparación una tapa de yogur tiene 25 micras de espesor) y ubicados en zonas diferentes de una trampa de iones. 

Los investigadores consiguieron reproducir el estado entrelazado un 57% de las veces, lo que ya es significativo, pero han identificado procedimientos para mejorar este porcentaje. 

Estos osciladores mecánicos se pueden considerar clásicos o cuánticos en función de su energía y de otras propiedades de la vibración. Por lo tanto, estos resultados muestran la existencia de entrelazamiento cuántico en un grado de libertad que invade el mundo clásico. 

Las técnicas empleadas también son todo un avance en sí mismas. Por primera vez se ha conseguido disponer distintos iones en un orden deseado, separándolos y reenfriándolos a la vez que se mantenía el entrelazamiento y realizando después más operaciones cuánticas con los iones. Todas estas técnicas pueden llevar a la generación de osciladores  mecánicos mayores y, en concreto, la capacidad de control desarrollada puede ser muy útil para aumentar el tamaño de los sistemas de procesado de información cuántica que emplean iones atómicos atrapados.

Referencia:

Jost, J., Home, J., Amini, J., Hanneke, D., Ozeri, R., Langer, C., Bollinger, J., Leibfried, D., & Wineland, D. (2009). Entangled mechanical oscillators Nature, 459 (7247), 683-685 DOI: 10.1038/nature08006