Investigadores de ETH Zurich demuestran correlación mecánica cuántica a distancia

Dirigidos por Andreas Wallraff, profesor de física del estado sólido, los investigadores realizaron una prueba de Bell sin lagunas para refutar el concepto de "causalidad local" formulado por Albert Einstein en respuesta a la mecánica cuántica. Al mostrar que los objetos mecánicos cuánticos que están muy separados pueden correlacionarse más fuertemente entre sí de lo que es posible en los sistemas convencionales, los investigadores han proporcionado una confirmación adicional de la mecánica cuántica. Lo especial de este experimento es que los investigadores pudieron realizarlo por primera vez utilizando circuitos superconductores, que se consideran candidatos prometedores para construir poderosas computadoras cuánticas.

Una prueba de Bell se basa en una configuración experimental que fue diseñada inicialmente como un experimento mental por el físico británico John Bell en la década de 1960. Bell quería resolver una cuestión sobre la que los grandes de la física ya habían discutido en la década de 1930: ¿son correctas las predicciones de la mecánica cuántica, que van completamente en contra de la intuición cotidiana, o los conceptos convencionales de causalidad también se aplican en el microcosmos atómico? como creía Albert Einstein?

Para responder a esta pregunta, Bell propuso realizar una medición aleatoria en dos partículas entrelazadas al mismo tiempo y compararlas con la desigualdad de Bell. Si el concepto de causalidad local de Einstein es cierto, estos experimentos siempre satisfarán la desigualdad de Bell. Por el contrario, la mecánica cuántica predice que lo violarán.

A principios de la década de 1970, John Francis Clauser, Premio Nobel de Física el año pasado, y Stuart Freedman llevaron a cabo una primera prueba práctica de Bell. En sus experimentos, los dos investigadores pudieron demostrar que la desigualdad de Bell sí se viola. Pero tenían que hacer ciertas suposiciones en sus experimentos para poder realizarlos en primer lugar. Entonces, teóricamente, todavía podría haber sido el caso de que Einstein tuviera razón al ser escéptico de la mecánica cuántica.

Con el tiempo, sin embargo, se podrían cerrar más de estas lagunas. Finalmente, en 2015, varios grupos lograron realizar las primeras pruebas de Bell verdaderamente libres de lagunas, resolviendo así finalmente la vieja disputa.

El grupo de Wallraff dice que ahora puede confirmar estos resultados con un nuevo experimento. El trabajo de los investigadores de la ETH publicado en la reconocida revista científica Naturaleza muestra que la investigación sobre este tema no está concluida, a pesar de la confirmación inicial hace siete años. Hay varias razones para esto. Por un lado, el experimento de los investigadores de ETH confirma que los circuitos superconductores también funcionan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, aunque son mucho más grandes que los objetos cuánticos microscópicos, como los fotones o los iones. Los circuitos electrónicos del tamaño de varios cientos de micrómetros hechos de materiales superconductores y operados a frecuencias de microondas se conocen como objetos cuánticos macroscópicos.

Por otra parte, las pruebas de Bell también tienen un significado práctico. “Las pruebas de Bell modificadas se pueden utilizar en criptografía, por ejemplo, para demostrar que la información se transmite realmente en forma cifrada”, explica Simon Storz, estudiante de doctorado en el grupo de Wallraff. “Con nuestro enfoque, podemos demostrar de manera mucho más eficiente que en otras configuraciones experimentales que se viola la desigualdad de Bell. Eso lo hace particularmente interesante para aplicaciones prácticas”.

Por lo tanto, al configurar el experimento, es importante lograr un equilibrio: cuanto mayor sea la distancia entre los dos circuitos superconductores, más tiempo estará disponible para la medición y más compleja se volverá la configuración experimental. Esto se debe a que todo el experimento debe realizarse en un vacío cercano al cero absoluto.

Los investigadores de ETH han determinado que la distancia más corta para realizar una prueba de Bell sin lagunas es de unos 33 metros, ya que una partícula de luz tarda unos 110 nanosegundos en recorrer esta distancia en el vacío. Eso es unos nanosegundos más de lo que les tomó a los investigadores realizar el experimento.

El equipo de Wallraff ha construido una instalación impresionante en los pasadizos subterráneos del campus de ETH. En cada uno de sus dos extremos hay un criostato que 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).

Antes del comienzo de cada medición, se transmite un fotón de microondas de uno de los dos circuitos superconductores al otro para que los dos circuitos se enreden. Luego, los generadores de números aleatorios deciden qué mediciones se realizan en los dos circuitos como parte de la prueba de Bell. A continuación, se comparan los resultados de la medición en ambos lados.

Después de evaluar más de un millón de mediciones, los investigadores han demostrado con una certeza estadística muy alta que la desigualdad de Bell se viola en esta configuración experimental. En otras palabras, han confirmado que la mecánica cuántica también permite correlaciones no locales en circuitos eléctricos macroscópicos y, en consecuencia, que los circuitos superconductores pueden enredarse a gran distancia. Esto abre posibles aplicaciones interesantes en el campo de la computación cuántica distribuida y la criptografía cuántica.

Construir la instalación y realizar la prueba fue un desafío, dice Wallraff. "Pudimos financiar el proyecto durante un período de seis años con fondos de una subvención avanzada de ERC". Simplemente enfriar toda la configuración experimental a una temperatura cercana al cero absoluto requiere un esfuerzo considerable. “Hay 1.3 toneladas de cobre y 14,000 XNUMX tornillos en nuestra máquina, así como una gran cantidad de conocimientos de física e ingeniería”, dice Wallraff. Él cree que, en principio, sería posible construir instalaciones que superen distancias aún mayores de la misma manera. Esta tecnología podría, por ejemplo, usarse para conectar computadoras cuánticas superconductoras a grandes distancias.