Generador de números cuánticos aleatorios más rápido del mundo e ilustración del fenómeno de entrelazado entre electrones. Fuente: ICFO.
¿Juega Dios a los dados con el universo? Einstein planteaba que no, pero ahora un nuevo experimento parece afirmarlo.
El experimento, publicado en línea en Nature por el grupo de Ronald Hanson, de la Universidad de Tecnología de Delft (Países Bajos), ha utilizado un dispositivo de generadores de números aleatorios desarrollado en el ICFO -Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona- por los grupos de investigación de Morgan W. Mitchell y Valerio Pruneri,
Los resultados del experimento representan la refutación más potente hasta la fecha del principio de "realismo local" de Albert Einstein, el cual postula que el universo obedece a leyes y no al azar, y que no existen comunicaciones que puedan viajar más rápido que la luz. Einstein planteaba que había "variables ocultas" que comunicaban a las partículas entre sí de forma aparentemente milagrosa.
El experimento de Delft consistió en lo siguiente: Primero "entrelazaron" dos electrones atrapados en el interior de dos cristales de diamante diferentes, y luego midieron las orientaciones de los electrones.
En teoría cuántica la propiedad del entrelazamiento consisten en que matemáticamente los dos electrones se pueden describir mediante una sola "función de onda" que sólo indica si están en concordancia, pero no si los espines están en una dirección determinada u otra. En un sentido matemático, pierden sus identidades individuales.
El concepto de "realismo local" intenta explicar el mismo fenómeno con menos misterio, postulando que las partículas deben estar apuntando a algún lugar, pero simplemente no sabemos sus direcciones hasta que las medimos.
Al medir los electrones en el experimento de Delft, se observó que las partículas efectivamente aparecen orientadas de forma aleatoria pero, sin embargo, ambas parecen entenderse muy bien entre sí. Tan bien, de hecho, que es imposible que hayan tenido orientaciones pre-establecidas o pre-existentes, tal y como reclama la teoría de realismo de Einstein.
Este comportamiento sólo es posible si los electrones se comunican entre sí, algo muy sorprendente para electrones atrapados en diferentes diamantes. Pero aquí está la parte más asombrosa: en el experimento de Delft, los diamantes se encontraban en diferentes edificios, a 1,3 kilómetros de distancia el uno del otro. Las mediciones se hicieron de forma tan rápida que no hubo ni tiempo para los electrones pudiesen comunicarse entre sí, ni siquiera con una señal viajando a la velocidad de la luz.
Esto pone en duda la teoría de "realismo local": si las orientaciones de los electrones son reales, los electrones deben de haberse comunicado de alguna manera, y si se han comunicado, deben de haberlo hecho más rápido que la velocidad de la luz.
Es decir, que o Dios juega a los "dados" con el Universo, o los espines de los electrones pueden hablarse entre sí a una velocidad más rápida que la de la luz.
El experimento, publicado en línea en Nature por el grupo de Ronald Hanson, de la Universidad de Tecnología de Delft (Países Bajos), ha utilizado un dispositivo de generadores de números aleatorios desarrollado en el ICFO -Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona- por los grupos de investigación de Morgan W. Mitchell y Valerio Pruneri,
Los resultados del experimento representan la refutación más potente hasta la fecha del principio de "realismo local" de Albert Einstein, el cual postula que el universo obedece a leyes y no al azar, y que no existen comunicaciones que puedan viajar más rápido que la luz. Einstein planteaba que había "variables ocultas" que comunicaban a las partículas entre sí de forma aparentemente milagrosa.
El experimento de Delft consistió en lo siguiente: Primero "entrelazaron" dos electrones atrapados en el interior de dos cristales de diamante diferentes, y luego midieron las orientaciones de los electrones.
En teoría cuántica la propiedad del entrelazamiento consisten en que matemáticamente los dos electrones se pueden describir mediante una sola "función de onda" que sólo indica si están en concordancia, pero no si los espines están en una dirección determinada u otra. En un sentido matemático, pierden sus identidades individuales.
El concepto de "realismo local" intenta explicar el mismo fenómeno con menos misterio, postulando que las partículas deben estar apuntando a algún lugar, pero simplemente no sabemos sus direcciones hasta que las medimos.
Al medir los electrones en el experimento de Delft, se observó que las partículas efectivamente aparecen orientadas de forma aleatoria pero, sin embargo, ambas parecen entenderse muy bien entre sí. Tan bien, de hecho, que es imposible que hayan tenido orientaciones pre-establecidas o pre-existentes, tal y como reclama la teoría de realismo de Einstein.
Este comportamiento sólo es posible si los electrones se comunican entre sí, algo muy sorprendente para electrones atrapados en diferentes diamantes. Pero aquí está la parte más asombrosa: en el experimento de Delft, los diamantes se encontraban en diferentes edificios, a 1,3 kilómetros de distancia el uno del otro. Las mediciones se hicieron de forma tan rápida que no hubo ni tiempo para los electrones pudiesen comunicarse entre sí, ni siquiera con una señal viajando a la velocidad de la luz.
Esto pone en duda la teoría de "realismo local": si las orientaciones de los electrones son reales, los electrones deben de haberse comunicado de alguna manera, y si se han comunicado, deben de haberlo hecho más rápido que la velocidad de la luz.
Es decir, que o Dios juega a los "dados" con el Universo, o los espines de los electrones pueden hablarse entre sí a una velocidad más rápida que la de la luz.
Experimento
Para llevar a cabo el experimento se necesitaron decisiones totalmente impredecibles y extremadamente rápidas sobre cómo medir las orientaciones o espines de los electrones, explica la nota de prensa de ICFO, recogida por EurekAlert!
Si las medidas hubieran sido predecibles, los electrones podían haber acordado de antemano hacia dónde apuntar, simulando la existencia de comunicaciones cuando realmente no ha habido ninguna. Se trata de un resquicio experimental conocido con el nombre de "loophole" o laguna.
Para evitarlo, el equipo de Delft buscó ayuda en el ICFO, que tiene el equipo que genera los números aleatorios cuánticos más rápidos conocidos.
ICFO diseñó un par de "dados cuánticos" para el experimento: una versión especial de su tecnología que produjo un bit aleatorio extremadamente puro para cada medición realizada en el experimento de Delft.
Los bits se produjeron en unos 100 nanosegundos, el tiempo que tarda la luz en viajar únicamente 30 metros, y por tanto un tiempo insuficiente para que los electrones puedan comunicarse entre sí.
“Los dos laboratorios se separaron una distancia de 1,3 km, de tal manera que la información tardaría unos 400 microsegundos en llegar al otro laboratorio. En este tiempo deben realizarse todas las medidas, si no, el loophole de localidad no se cierra”, explica a Sinc Carlos Abellán, investigador del ICFO y coautor del estudio.
"Delft nos pidió ir más allá de la frontera de los dispositivos de última tecnología en generación de números aleatorios. Nunca antes un experimento ha requerido de números aleatorios tan buenos y en tan poco tiempo", añade.
Además, los científicos tenían que obtener una muestra estadísticamente significativa de correlaciones entre las partículas. Era imprescindible una ratio superior al 75% y se consiguió el 80%, con 245 ensayos exitosos.
Aplicaciones
La tecnología desarrollada para el experimento podrá aplicarse en seguridad de comunicaciones y en informática de alto rendimiento, señala Morgan Mitchell.
Abellán señala que el sector más beneficiado por el estudio es el de la criptografía cuántica: “En los últimos años se está avanzando para que la seguridad se pueda garantizar de manera totalmente independiente al equipamiento que se use. En otras palabras, si el espía que quisiera robar nuestra información fuera el fabricante de nuestro ordenador, no hay nada que este pudiera hacer para hackearnos”.
Precedente
Un experimento publicado este año en Nature Communications, de la Universidad Griffith (Australia), también mostró que la "acción fantasmal a distancia" es real.
Para ello, los investigadores dividieron un fotón entre dos laboratorios, para observar el entrelazamiento de una sola partícula, y demostraron que el colapso de la función de onda (variación abrupta del estado de un sistema después de haber obtenido una medida) es no-local, de modo que se puede detectar allá donde se detecte la partícula.
Para llevar a cabo el experimento se necesitaron decisiones totalmente impredecibles y extremadamente rápidas sobre cómo medir las orientaciones o espines de los electrones, explica la nota de prensa de ICFO, recogida por EurekAlert!
Si las medidas hubieran sido predecibles, los electrones podían haber acordado de antemano hacia dónde apuntar, simulando la existencia de comunicaciones cuando realmente no ha habido ninguna. Se trata de un resquicio experimental conocido con el nombre de "loophole" o laguna.
Para evitarlo, el equipo de Delft buscó ayuda en el ICFO, que tiene el equipo que genera los números aleatorios cuánticos más rápidos conocidos.
ICFO diseñó un par de "dados cuánticos" para el experimento: una versión especial de su tecnología que produjo un bit aleatorio extremadamente puro para cada medición realizada en el experimento de Delft.
Los bits se produjeron en unos 100 nanosegundos, el tiempo que tarda la luz en viajar únicamente 30 metros, y por tanto un tiempo insuficiente para que los electrones puedan comunicarse entre sí.
“Los dos laboratorios se separaron una distancia de 1,3 km, de tal manera que la información tardaría unos 400 microsegundos en llegar al otro laboratorio. En este tiempo deben realizarse todas las medidas, si no, el loophole de localidad no se cierra”, explica a Sinc Carlos Abellán, investigador del ICFO y coautor del estudio.
"Delft nos pidió ir más allá de la frontera de los dispositivos de última tecnología en generación de números aleatorios. Nunca antes un experimento ha requerido de números aleatorios tan buenos y en tan poco tiempo", añade.
Además, los científicos tenían que obtener una muestra estadísticamente significativa de correlaciones entre las partículas. Era imprescindible una ratio superior al 75% y se consiguió el 80%, con 245 ensayos exitosos.
Aplicaciones
La tecnología desarrollada para el experimento podrá aplicarse en seguridad de comunicaciones y en informática de alto rendimiento, señala Morgan Mitchell.
Abellán señala que el sector más beneficiado por el estudio es el de la criptografía cuántica: “En los últimos años se está avanzando para que la seguridad se pueda garantizar de manera totalmente independiente al equipamiento que se use. En otras palabras, si el espía que quisiera robar nuestra información fuera el fabricante de nuestro ordenador, no hay nada que este pudiera hacer para hackearnos”.
Precedente
Un experimento publicado este año en Nature Communications, de la Universidad Griffith (Australia), también mostró que la "acción fantasmal a distancia" es real.
Para ello, los investigadores dividieron un fotón entre dos laboratorios, para observar el entrelazamiento de una sola partícula, y demostraron que el colapso de la función de onda (variación abrupta del estado de un sistema después de haber obtenido una medida) es no-local, de modo que se puede detectar allá donde se detecte la partícula.
Campus de la Universidad Técnica de Delft (Países Bajos). Abajo, visión panorámica, y arriba, visión cenital, en la que observan los electrones situados a 1,3 km de distancia, y una estación de medición intermedia. Imagen: Slagboom en Peters BV. Fuente: Sinc.
Referencia bibliográfica:
B. Hensen, H. Bernien, A. E. Dréau, A. Reiserer, N. Kalb, M. S. Blok, J. Ruitenberg, R. F. L. Vermeulen, R. N. Schouten, C. Abellán, W. Amaya, V. Pruneri, M. W. Mitchell, M. Markham, D. J. Twitchen, D. Elkouss, S. Wehner, T. H. Taminiau, R. Hanson: Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature15759.
B. Hensen, H. Bernien, A. E. Dréau, A. Reiserer, N. Kalb, M. S. Blok, J. Ruitenberg, R. F. L. Vermeulen, R. N. Schouten, C. Abellán, W. Amaya, V. Pruneri, M. W. Mitchell, M. Markham, D. J. Twitchen, D. Elkouss, S. Wehner, T. H. Taminiau, R. Hanson: Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature15759.