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Los fantasmas de los fotones

Investigadores brasileños miden el enmarañado de partículas de luz, un paso importante de la investigación tendiente a construir la computadora cuántica

Una pequeña brujería de otro mundo, concebida y ejecutada por físicos nacionales, se apoderó de tres páginas de la revista británica Nature del 20 de abril pasado. Un equipo de investigadores de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) encabezado por Luiz Davidovich y Paulo Henrique Souto Ribeiro, con la ayuda teórica de colegas del Instituto Max-Planck de Dresde, publicó un artículo en el reputado periódico científico dando cuenta de lo que dicen ser la primera medición directa de una extraña propiedad del universo cuántico: el enmarañado o entrelazado de átomos o partículas. Dicha propiedad, que Albert Einstein describía diciendo que tenía una “fantasmagórica acción a distancia”, tal vez sea la impronta más característica de la mecánica cuántica cuando se la  confronta con la física clásica -comprenderla y, de ser posible, dominarla es una etapa imprescindible para el establecimiento de la criptografía cuántica y de la computadora cuántica, una idea que ganó fuerza a partir de los años 1990.  Esto que las partículas entrelazadas parecen ser capaces de procesar y transmitir informaciones con mucha mayor eficiencia que un chip convencional.

En el caso del experimento llevado a cabo en el Laboratorio de Óptica Cuántica del Instituto de Física de la UFRJ, los científicos crearon un sistema en el cual generaron dos pares de fotones, partículas de luz, a partir de la emisión de un haz luminoso de láser sobre un cristal. A continuación determinaron la cantidad de entrelazado en el sistema por medio de una única medición de las propiedades físicas de dos partículas, realizada sobre uno de los fotones de cada par. Normalmente, los físicos cuánticos realizan varias mediciones y posteriormente hacen cálculos para determinar la cantidad de enmarañado de un conjunto de partículas. Pero los científicos brasileños creen haber desarrollado una forma más sencilla y eficaz de alcanzar dicho objetivo: midieron la polarización (la dirección de las vibraciones del campo eléctrico de la luz, por ejemplo, vertical u horizontal) y el momento (relacionado con la dirección de propagación, si es a la derecha o a la izquierda) de los corpúsculos de luz, y establecieron una asociación entre estos parámetros y la cantidad de enmarañado presente en las parejas de fotones. “El determinar la cantidad de enmarado y entender las implicaciones físicas de este fenómeno es uno de los mayores desafíos de la física cuántica”, afirma Davidovich. Desde el punto de vista práctico, niveles elevados de entrelazado serían necesarios para poner en funcionamiento las futurísticas PC’s cuánticas.

Pero, ¿qué es exactamente tal enmarañado? Formulado teóricamente en la década de 1930 y comprobado experimentalmente en los años 1960, es un fenómeno con un misterio para las personas acostumbradas con las leyes de la física newtoniana, es decir, la mayoría de los mortales. De acuerdo con el concepto de entrelazado, las propiedades de dos o más partículas enmarañadas (átomos, electrones, fotones, etc.) sólo pueden conocerse debido a que ellas, las partículas, forman un conjunto, en el cual las mediciones realizadas sobre una de las componentes del sistema altera el estado de la otra independientemente de su localización en el espacio. Independientemente de que las partículas estén prácticamente pegadas o separadas por cientos de miles de kilómetros. De ahí el tal efecto casi sobrenatural al cual Einstein alude al describir el entrelazado cuántico.

Expuesto de esta forma, el complicado concepto de enmarañado cuántico produce un nudo en la cabeza de la gente. Para entenderlo, en lugar de pensar en fotones y partículas, es más didáctico imaginar un sistema compuesto por dos dados. Por estar entrelazados, cuando se los arroja, aunque uno esté en Brasil y el otro en Japón, los dados dan siempre el mismo resultado: la suma de sus valores es, por ejemplo, ocho. Ese parámetro final del exótico sistema es conocido y fácilmente mensurable, pero no se sabe qué combinación numérica (cuatro y cuatro, cinco y tres, seis y dos) arrojó ese resultado. En este caso, cuando se descubre finalmente el valor de uno de los dados, el enigma en relación al otro también desaparece.

La polarización perpendicular
Con los pares de fotones de la experiencia realizada en la UFRJ, que están enmarañados en relación con dos parámetros físicos (la polarización y la dirección de propagación), sucede más o menos lo mismo. Si los físicos determinan que una de esas partículas de luz vibra en la posición vertical, la otra, su compañera en el conjunto cuántico, sólo puede oscilar en la horizontal. Con todo, en el mundo extraño de la física cuántica, la polarización del segundo fotón sólo puede determinarse correctamente después de la medición de ese parámetro físico en la primera partícula de luz. “En ese sistema, sabemos de antemano que la polarización de un fotón es perpendicular a la del otro, pero la de cada fotón individualmente es completamente indeterminada”, dice el físico Stephen Patrick Walborn, pasante de posdoctorado de la universidad carioca y principal conductor del experimento realizado en el Laboratorio de Óptica Cuántica de la UFRJ, una de las trece instituciones nacionales de investigación que forman parte del Instituto del Milenio de Información Cuántica, una iniciativa patrocinada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT) de Brasil.

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