La mecánica cuántica, un área contraintuitiva que desafía la lógica que rige las interacciones en el mundo macroscópico de la física clásica, describe el comportamiento de la materia y de la luz a escala atómica y subatómica. Una de sus propiedades más peculiares y, al mismo tiempo, determinantes es el entrelazamiento cuántico. En este estado, dos (o más) partículas se comportan como si fuesen una entidad única, entrelazada, aunque se encuentren separadas por cualquier distancia. El resultado de las mediciones efectuadas en una partícula se correlaciona con el valor obtenido para la otra.
Un artículo publicado a principios del mes de marzo en la revista científica Physical Review Letters indica que es posible determinar si un sistema compuesto por dos partículas de luz (fotones) está entrelazado, incluso si se realizan mediciones de tan solo una de dichas partículas. En el referido trabajo se presentaron un método experimental y los conceptos teóricos que permiten realizar este tipo de mediciones.
El estudio estuvo coordinado por el físico austríaco Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, uno de los tres galardonados con el Premio Nobel de Física de 2002 por sus investigaciones en el campo del entrelazamiento cuántico. La física Gabriela Barreto Lemos, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), quien realizó una pasantía posdoctoral en el grupo de Zeilinger durante la década pasada, es la autora principal del estudio. “Nuestro método es útil para aplicárselo en situaciones en que, por algún motivo, no hay un detector disponible o eficaz para medir el estado de una de las partículas entrelazadas”, comenta Barreto Lemos.
El entrelazamiento es un fenómeno tan espectacular como frágil. La conexión misteriosa que mantiene correlacionadas a dos partículas, como fotones o electrones, por ejemplo, puede deshacerse debido a interacciones con las más diversas variables del ambiente, tales como fluctuaciones de la temperatura, la acción de otras partículas o perturbaciones mecánicas. Por eso es importante tener la certeza de que, en efecto, existe el entrelazamiento en los sistemas creados por el hombre en el mundo real, fuera de las condiciones teóricas ideales. “Los resultados de esta nueva investigación pueden ser de utilidad, por ejemplo, para el desarrollo de protocolos de certificación de sistemas de criptografía cuántica”, dice el físico Roberto Serra, de la Universidad Federal del ABC (UFABC), quien no participó en el estudio.
El primer paso del trabajo experimental dirigido por el físico austríaco y la brasileña consiste en el uso de dos fuentes idénticas, que constan de un láser y un cristal, para producir fotones. Cada fuente genera en distintos momentos un par de fotones, alfa y beta, que exhiben una propiedad fundamental de la mecánica cuántica conocida como superposición de estados. Es decir, cada partícula se encuentra, simultáneamente, en dos estados diferentes hasta que se efectúa sobre ella una medición. Cuando esto ocurre, la partícula asume uno de los estados posibles.
En el experimento, esta superposición significa que cada par de fotones, independientemente de que haya sido generado por la primera o la segunda fuente, se comporta como si hubiera sido originado por ambos cristales. El fotón alfa procedente de la segunda fuente presenta propiedades cuánticas idénticas y se propaga por el mismo camino recorrido por el alfa emitido por el primer cristal. La situación del fotón beta es levemente diferente. Dependiendo de dónde haya sido generado, si en la primera o en la segunda fuente, cada partícula beta, pese de su inmensa similitud, se propaga siguiendo un trayecto distinto. Estos dos recorridos dispares pueden combinarse mediante un dispositivo óptico para generar un patrón de ondas característico que puede observarse en un detector.
Este patrón es el registro de lo que se denomina interferencia cuántica y, en el experimento, es el resultado de la combinación de los posibles caminos que pueden recorrer los fotones beta generados en la primera o en la segunda fuente. Sirve para confirmar si el sistema está entrelazado y cuál es el grado de esta correlación: fuerte, mediana o débil. La respuesta se obtiene sin que se haya detectado ningún fotón alfa. “El uso del patrón de interferencia cuántica para comprobar si en el sistema hay entrelazamiento es una idea genial”, dice el físico Marcelo Martinelli, de la Universidad de São Paulo (USP), quien no intervino en el estudio.
Este enfoque solo es posible gracias a la naturaleza dual de la luz, que, al mismo tiempo, es una partícula y también una onda. En el experimento de Barreto Lemos y Zeilinger, la combinación de dos posibles trayectorias para el fotón beta da lugar a un nuevo patrón de onda. Con base en las propiedades de la onda original del fotón beta, esta interacción, o interferencia, para usar la jerga técnica de los físicos, puede generar una onda final mayor, amplificada, o menor, reducida o incluso inexistente. Este fenómeno cuántico es similar a las oscilaciones que se generan cuando se lanza una piedra sobre la superficie de un espejo de agua, que al interactuar, pueden amplificar o anular las ondas iniciales.
“En este nuevo trabajo, utilizamos un abordaje similar al que empleamos en un estudio de 2014 que generó la imagen de un objeto sin utilizar las partículas de luz que habían entrado en contacto con él”, relata Barreto Lemos. En el estudio realizado hace nueve años, también junto al equipo de Zeilinger y publicado en la revista Nature, los físicos generaron un par de fotones entrelazados, uno con longitud de onda infrarroja y otro correspondiente al color rojo (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 224). Tan solo los fotones infrarrojos interactuaron con la silueta de un gato recortada de un trozo de cartulina. Sin embargo, los detectados fueron los fotones de color rojo y estos reprodujeron la imagen del felino. Al hallarse entrelazados, los fotones infrarrojos, que nunca fueron detectados, “transmitieron” la información sobre la imagen a sus homólogos de color rojo.
Artículos científicos
LEMOS, G. B. et al. One-photon measurement of two-photon entanglement. Physical Review Letters. v. 130, n. 9. 3 mar. 2023.
LEMOS, G. B. et al. Quantum imaging with undetected photons. Nature. v. 512, n. 7515. 28 ago. 2014.
