Mecánica Cuántica: Acción fantasmal a distancia, el nacimiento del Entrelazamiento Cuántico

in StemSocial5 months ago

Mecánica Cuántica: Acción fantasmal a distancia, el nacimiento del Entrelazamiento Cuántico

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Funciones de onda hidrogenoides - (Licencia: CC0, Autor: PoorLeno) Fuente:Wikimedia Commons

La Mecánica Cuántica se ha considerado como una de las teorías más exitosas en la historia de la ciencia, aun así no estuvo libre de polémicas en sus inicios, especialmente por un fenómeno denominado Entrelazamiento Cuántico, el cual se basa en el principio de no-localidad, y hasta el momento ha permitido obtener resultados experimentales con gran potencial para el futuro.

Dada ciertas observaciones que no se ajustaban a los modelos teóricos propuestos y fundamentados en lo que hoy se conoce como Mecánica Clásica, se tuvo que recurrir a un nuevo enfoque teórico para aquellos fenómenos que no se habían podido explicar. Fue a principios del siglo XX, cuando comienza a desarrollarse la Mecánica Cuántica, con la cual se buscaba explicar distintos sistemas a escala atómica, y no a nivel macro como se había estado haciendo. Desde el punto de vista del pensamiento humano, fue éste uno de los puntos cruciales para el entendimiento del mecanismo de funcionamiento del universo, cuya información, paradójicamente, pudiera estar contenida en escalas espaciales menores de las que se podían concebir.

Una transición desde la concepción clásica a una visión netamente cuántica, involucra también un proceso de reconstrucción de la realidad por parte de la ciencia. No fue espontanea la generación de una única interpretación acerca de esta teoría, por el contrario, se formularon diversas opiniones en relación a lo que pudiese (o no) significar cada una de las propiedades intrínsecas de las partículas y los sistemas que éstas pudieran formar.

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Artículo de The New York Times - (Licencia: CC0, Autor: The New York Times) Fuente:Wikimedia Commons

Las disputas se acentuaron cada vez más cuando la Mecánica Cuántica comenzó a ser mucho más aceptada, y se propusieron fenómenos tan abstractos que retaban el entendimiento filosófico del universo, más allá del entendimiento científico de un sistema; haciendo especial énfasis en aquellas personas que defendían irrevocablemente las bases teóricas que se habían construido siglos anteriores, queriendo así, liberar y normalizar al Demonio de Laplace, el cual no solo se nutría de información, sino que debía su existencia al determinismo más estoico.

Einstein dudaba de ciertos postulados cuánticos, en especial del colapso de un sistema cuando es medido. No logro aceptar que no se diera explicación a el porqué del colapso del sistema hacia un valor especifico (o con altas probabilidades), para Einstein, la mecánica cuántica estaba incompleta y no relacionaba el valor medido con la realidad, por lo tanto debían existir variables ocultas que permitieran explicar la obtención de valores medidos en función de la realidad (entorno local de las partículas).

Es por ello que la postulación de un fenómeno cuántico que involucra un entrelazamiento a distancia entre dos entes físicos, puede ser considerada un comodín argumental de alguna película de ciencia ficción. Sin embargo mediante la paradoja EPR, sus discusiones, una serie de evidencias experimentales en torno al fenómeno, se ha podido consolidar una explicación aceptable a lo que realmente ocurre cuando dos partículas se encuentran entrelazadas y una de ellas colapsa, debido a la medida de una de sus propiedades.

Es de esperarse que dicho modelo, no solo se orienta en dar una explicación congruente, sino que también abre las puertas a un amplio campo, en donde el entrelazamiento cuántico se convierte en uno de los protagonistas fundamentales de los desarrollos científico-tecnológicos de los próximos siglos.

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(Licencia: Dominio Público, Autor: geralt) Fuente: Pixabay

El entrelazamiento cuántico es una propiedad descrita por Edwin Schrödinger, y posteriormente debatida por Einstein, Podolsky y Rosen formulando una de las paradojas más importantes del momento, la paradoja EPR.

Esta propiedad contempla un conjunto de partículas que no necesariamente deben ser tratadas como partículas individuales, en su lugar, pueden ser estudiadas como un único sistema con una función de onda asociada, sin importar que tan lejos estén las partículas entre sí.

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Superposición cuántica - Autoría

Partiendo de esta premisa, se generó una gran discusión en cuanto a la veracidad de esta propiedad, ya que, como se enuncia en la paradoja EPR, de ser esto cierto, se estaría violando el principio de localidad. No era consistente para la época, que dos partículas intercambiaran información de forma instantánea, se estaría violando directamente la relatividad general, ya que esta información tendría que viajar a velocidades superlumínicas para que se pudiese observar el entrelazamiento cuántico.

Como consecuencia inmediata, de no violarse la restricción de la relatividad general, se estaría violando el principio de localidad (o realismo local), el cual propone que un sistema no puede perturbar a un segundo sistema de forma remota e instantánea, por lo que siempre se necesitara un intermediario que transporte dicha perturbación a través del espacio tiempo.

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Representación de dos sistemas separados por una distancia d. Ambos obedecen el principio de localidad, y ameritan un intermediario para causar alguna perturbación entre ellos. - Esta imagen fue editada y procesada con el programa PowerPoint 2016. Molecula:(Licencia: Dominio Público, Autor: OpenClipart-Vectors) Fuente: Pixabay

En este punto crítico para la mecánica cuántica, se comenzaron a formular diversos experimentos mentales, con la finalidad de encontrar alguna posible explicación plausible de este fenómeno que predecía el modelo teórico.

Como sistemas predilectos para representar entrelazamientos cuánticos, se utilizaron los electrones, específicamente el valor del espín. Sabiendo que el espín de un electrón solo puede tomar dos valores (+1/2 o -1/2), al entrelazar dos de ellos, se estaría formando un sistema cuántico de dos posibles estados (auto estados del espacio), para cada partícula, donde el primer valor depende de la medición del según y viceversa.

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Momento de Spin proyectado sobre la componente Z del momento angular de spin S - (Licencia: CC BY-SA 3.0, Autor: Theresa knott) Fuente:Wikimedia Commons

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Fotones entrelazados a partir de sus propiedades de polarización - (Licencia: CC BY-SA 3.0, Autor: J-Wiki) Fuente:Wikimedia Commons

Más allá de lo abstracto que pudiera sonar el entrelazamiento cuántico como efecto real, la preocupación de la comunidad científica para la época giraba en torno al concepto y perpetuidad de la realidad en un contexto determinista.

La relación fundamental entre dos partículas entrelazadas, expone que cuando se mide una de las propiedades en la partícula A, es afectada la misma propiedad en la partícula B (incluso si B no ha sido medida). Esto generó una serie de debates, ya que pareciera que la realidad no estaba definida para ningún sistema, y que es la medida per se, la que induce una manifestación de un observable físico en concreto. Para los físicos teóricos clásicos, aceptar que la realidad dependía intrínsecamente de la medición que se hiciera sobre un sistema, y que además un sistema A, puede afectar a un sistema B que se puede encontrar al otro lado del universo, no fue tarea fácil, Las variables ocultas comenzaron a tomar mayor relevancia en las hipótesis del momento...

Pasaron algunos años antes de que John S. Bell, propusiera un montaje experimental con el objetivo de demostrar si efectivamente es necesario de introducir variables ocultas (o inaccesibles) en un sistema de dos fotones entrelazados para poder ajustar el modelo a la evidencia experimental. Encontró que para ciertos valores de Las desigualdades de Bell, la mecánica cuántica podía prescindir del realismo local, y que además existían ciertos fenómenos que solo podían ser explicados utilizando la mecánica cuántica.

Definitivamente, el teorema de Bell, representa uno de los pasos en el pensamiento humano más grandes de la historia, no solo represento experimentalmente uno de los fenómenos más extraños de la naturaleza, sino que también fortaleció las bases de una de los modelos teóricos más exitosos del ser humano.

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Montaje experimental propuesto por Bell. -(Licencia: CC BY-SA 3.0, Autor: Maksim-CSTAR) Fuente:Wikimedia Commons

Seguidamente, Daniel M. Greenberger, Michael A. Horne y Anton Zeilinger, propusieron un montaje experimental alternativo, el cual consistía en tres fotones entrelazados, los cuales se medirían cada uno con tres detectores colocados en ángulos específicos. Posteriormente se confirmó de manera simplificada la validez del teorema de Bell.

No solo se pudo verificar la validez de la mecánica cuántica, sino que se logro demostrar que, en efecto, la realidad de un sistema físico es totalmente incierta antes de su medida, y puede influir de forma directa y simultanea en la observación de un segundo sistema con el que esté entrelazado.

Las implicaciones científicas están a la vista, sin embargo desde un punto de vista filosófico, este resultado exhibe el desconcertante corolario en relación a la realidad tal y como la conocemos. No es descabellado pensar que cada una de las observaciones que se efectúan, determinan las propiedades de los sistemas. Pero aceptar que, a priori la realidad no está definida hasta que seamos participes de la misma, induce a pensar que el conocimiento humano aun tiene un largo camino por recorrer, y quizá solo estemos viendo una de las capas que conforman el universo.

Junto a los recientes avances científicos, se ha hecho posible la formulación de nuevos montajes experimentales que involucren al entrelazamiento cuántico.El satélite Micius, fue uno de los innovadores, al medir la polarización de dos fotones entrelazados que se encontraban a aproximadamente 12 kilómetros. El resultado fue impresionante, ya que era la primera vez que un sistema de partículas entrelazadas era separado a una distancia tan grande, confirmando así, la presencia de los efectos de no-localidad en ellas.

Adicionalmente se han hecho experimentos para lograr obtener fotones entrelazados a partir de proteínas fluorescentes, con lo cual se abre un extenso campo para el entrelazamiento cuántico utilizando fuentes biológicas.

Uno de los experimentos más emocionantes de este fenómeno, fue el realizado por investigadores de la Universidad de Glasgow, en el Reino Unido, en el cual lograron separar dos haces de fotones entrelazados y hacer pasar uno de ellos por un filtro de diferentes ángulos.

Impresionantemente, el ángulo de medida para el primer haz, logro afectar instantáneamente el valor de la medición sobre el segundo haz. Esta es una de las evidencias experimentales más importantes acerca de las implicaciones físicas del Entrelazamiento Cuántico.

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Ícono de la Mecánica Cuantica, el Gato de Schrödinger - (Licencia: CC BY-SA 3.0, Autor: Dhatfield) Fuente:Wikimedia Commons

La redefinición del concepto de la realidad, el abandono de la corriente filosófica del determinismo como fundamento para la ciencia y la adaptación del estudio cuántico a parámetros probabilísticos, dio paso a una de las teorías más complejas a nivel científico y filosofía, que ha podido formular el ser humano.

A pesar de su éxito en las últimas décadas, existe una serie de mecanismos que no se han logrado comprender del todo: El origen de la incertidumbre de Heisenberg, la dualidad onda-partícula como eventos complementarios, el entrelazamiento cuántico, la perdida de simetría en la antimateria, la materia oscura, etc.

No cabe duda que el modelo ha funcionado, pero es de esperarse que en los siguientes años se hagan mejoras o generalizaciones en ciertos aspectos, además, las potenciales aplicaciones de la cuántica para crear computadores mucho más potentes pudieran también ayudar al desarrollo de modelos teóricos mucho más exactos de los que se tienen en la actualidad.

Gracias por leer.

Referencias:

Todas las imágenes y sepradores de mi autoría, fueron editados y procesados utilizando el programa PowerPoint 2016.

  • 1. Jeffrey Bub, Bananaworld: Quantum Mechanics for Primates, Oxford University Press (2016).
  • 2. Brian Clegg, The God Effect: Quantum Entanglement
  • 3. Alisa Bokulich, Gregg Jaeger (Eds.), Philosophy of Quantum Information and Entanglement, Cambridge University Press (2010)
  • 4. Philip Ball, Beyond Weird, Why Everything You Thought You Knew about Quantum Physics Is Different, University of Chicago Press (2018)
  • 5. Shi, S., Kumar, P., & Lee, K. F. (2017). Generation of photonic entanglement in green fluorescent proteins. Nature Communications, 8(1). doi:10.1038/s41467-017-02027-9
  • 6. Moreau, P.-A., Toninelli, E., Gregory, T., Aspden, R. S., Morris, P. A., & Padgett, M. J. (2019). Imaging Bell-type nonlocal behavior. Science Advances, 5(7), eaaw2563. doi:10.1126/sciadv.aaw2563

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Gracias por compartir este material @aleestra. Desconocía este aporte en particular de Albert EInstein en el área de la mecánica cuántica , siempre asociaba su nombre con la mecánica clásica y su teoría de la relatividad. Saludos!!

Así es, Einstein metió la mano en todo. Fue un crítico muy rígido de la mecánica cuántica, siempre fue muy escéptico con el tema, si bien negó fenómenos que hoy en día han sido comprobados, también predijo otros como las ondas gravitacionales, sencillamente un genio. Gracias por tu comentario. Saludos!

La mecánica Clásica era como como el catolicismo en los tiempos de Da vinci y todos esos famosos científicos que trataban de explicar el origen de la vida, es decir los físicos clásicos defendían a muerte la teoría Newtoniana, no podian aceptar un nuevo cambio, una nueva visión del universo, eran de mentes cerradas, hasta hubo un momento que esto pudo haberse salido de control, porque defendían tanto sus teorías que pudieron haber llegado hasta matar por defenderla, pero los experimentos de Planck y compañía eran tan claros y hermosos, que no les quedó más que aceptar esta nueva era donde la cuántica podría explicar todo en el universo. Luego Einstein pudo confirmar con sus teorías todo lo que Planck y compañía habían hecho durante tantos años. La cuántica es la base fundamental de todo lo que tenemos hoy en día, sin ella quién sabe donde estuviésemos en la actualidad

Hola @carloserp-2000, muchas gracias por su comentario. Así es, en esa época la gente defendía tanto sus ideales como las personas de los tiempos de Galileo, los avances científicos a grandes pasos siempre han representado conflictos políticos, religiosos y por su puesto ideológicos.
Es cierto que la teoría en sí es algo complicada y difícil de imaginar completamente, sin embargo como dice, ha dado resultados muy buenos, y me parece sumamente increíble ver que en algunos casos, como en el Teorema de Ehrenfest, los postulados clásicos aparecen como una consecuencia, o caso particular de una teoría mucho más grande y general (la Mecánica Cuántica).
Einstein recurrió a ella para explicar el famoso efecto Fotoeléctrico, sin embargo si gran dolor de cabeza era el entrenamiento cuántico, no podía aceptarlo como real y causó mucha polémica tratando de desacreditarlo. Afortunadamente hoy en día en muchos experimentos a parte de los que mencioné, se ha logrado comprobar su existencia, y es claro que sus aplicaciones pudieran brindarnos grandes avances científicos, en el área de la seguridad informática, computación cuántica etc... No puedo evitar imaginar la implementacion de la tecnología blockchain usando los avances cuánticos. Saludos cordiales!

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