jueves, 21 de junio de 2018
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Fotones contra Einstein

The Big Bell Test, un experimento que consistió en la generación de datos a partir de un videojuego con el objetivo de probar principios de la mecánica cuántica implicó la participación de 12 laboratorios en el mundo. La división de Óptica Cuántica del Departamento de Láseres y Aplicaciones del CITEDEF fue uno de ellos y las conclusiones del trabajo rebaten ideas del célebre Albert Einstein.

Por Matías Alonso

 

 

Agencia TSS – En el campo de la física fundamental, durante el siglo XX se planteó la discusión entre la visión de la mecánica cuántica que plantea que las partículas se ven afectadas al ser observadas –están en un estado y en el otro al mismo tiempo– y la que considera que están determinadas en cuanto a sus propiedades. Esta última posición era la del célebre físico Albert Einstein, quien consideraba que una partícula es afectada solo por su entorno inmediato, un principio conocido como realismo local.

La teoría cuántica sostiene que en dos partículas fuertemente interrelacionadas, al medirse las propiedades de una se puede afectar a la otra aún al estar a mucha distancia, incluso en el caso de que las propiedades que se miden nunca existieron y solo fueron creadas por el instrumento de medición.

The Big Bell Test, un experimento a escala mundial del que participó la división de Óptica Cuántica del Departamento de Láseres y Aplicaciones (DEILAP) del Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (CITEDEF) –entre otros 12 laboratorios en distintas parte del mundo– buscó probar que una partícula entrelazada puede afecta a otra de manera instantánea, aunque estén separadas por kilómetros de distancia. Esto contradice la cosmovisión de Einstein: el universo no sería independiente de nuestras observaciones.

En las mediciones sobre pares de partículas entrelazadas, como pueden ser los fotones (partículas de luz), se generan y se envían a distintas ubicaciones y se mide alguna propiedad de estas partículas como su color, su tiempo de llegada o su polarización. Si los resultados de las mediciones tienden a coincidir, independientemente de qué propiedades elijamos medir, explicaría que una partícula afecta a la otra. Así, el trabajo demostró que el realismo local, que parece de sentido común, no puede ser aplicado a fotones, átomos, nubes de átomos y circuitos superconductores.

El experimento –que se realizó en noviembre de 2016– fue publicado por la revista Nature el 10 de mayo pasado e implicó una colaboración internacional muy importante: más de 100.000 personas distribuidas por el mundo contribuyeron con bits elegidos al azar por medio de un videojuego online. Esos datos generados de manera aleatoria fueron distribuidos en tiempo real a los laboratorios para la realización de experimentos de física cuántica.

El equipo que participó del Big Bell Test estuvo conformado por investigadores del CONICET, del CITEDEF y de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA. De izquierda a derecha: Miguel Larotonda, Agustina Magnoni, Ignacio López Grande, Christian Schmiegelow, Laura Knoll y Ariel Bendersky.

 

El nombre del juego surgió del físico irlandés John Bell, quien en 1964 describió una serie de condiciones que debían mantenerse entre dos partículas bajo el principio de realismo local. Pero a mediados del siglo XX no existían instrumentos de precisión que permitiesen realizar mediciones para superar la controversia entre la física tradicional y la cuántica. Por lo tanto, se debían hacer suposiciones técnicas que dejaban lugar a dudas sobre los resultados.

El progreso técnico fue mejorando las mediciones, pero siempre quedaba una objeción: la necesidad de medir valores generados de forma aleatoria e impredecible. Las personas no son buenas para generar números aleatorios y no se puede usar un método físico para generar número aleatorios para aplicarlos sobre el mundo físico.

La solución surgió de la idea de un estudiante de doctorado del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de la Universidad de Barcelona, Carlos Avellán. Su idea se basó en la creación de un juego online –que todavía puede ser jugado–, en el que 100.000 personas de todo el mundo ingresarían números que determinarían una secuencia impredecible de 90 millones de bits. Estos números serían distribuidos entre 12 laboratorios de todo el mundo para hacer la configuración de los aparatos de mediciones.

Uno de esos laboratorios fue la división de Óptica Cuántica del DEILAP en el CITEDEF, responsable de hacer diferentes mediciones sobre la polarización de pares de fotones, que contaron con la colaboración de investigadores de los departamentos de Física y Computación de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires (FCEYN-UBA) y del CONICET. El experimento se repitió varias veces con una serie de configuraciones impredecibles generadas en base a los números entregados por el juego. Esto permitió realizar un estimador de Bell que establece que, si el mundo funcionara según la teoría de Einstein, debía dar como resultado el número 2. En cambio, si funcionara según los principios de la mecánica cuántica, debía dar entre 2 y raíz cuadrada de 2 (2,83). Finalmente, el experimento dio un resultado de 2,56.

Miguel Larotonda, investigador independiente del CONICET y jefe de la división de Óptica Cuántica del DEILAP, explicó en diálogo con TSS: “Nosotros nos enteramos de que se haría este experimento porque tenemos conocidos en el ICFO que estaban involucrados en esta iniciativa. Ellos buscaban tener varios laboratorios independientes y no necesariamente similares para llevar adelante el experimento”. Y agregó: “Somos el único laboratorio del país que puede hacer estos experimentos porque automatizamos los componentes de la mesa, así que estábamos listos para hacerlo. Las mediciones cuánticas implican una secuencia bastante larga de mediciones distintas. Entonces, para no estar todo el tiempo tocando el experimento con la mano, teníamos todo motorizado y fue relativamente simple pasar de recibir datos desde una computadora a recibirlos vía Internet a partir de lo que generaba el juego”.

El grupo que dirige Larotonda en el CITEDEF alterna este tipo de experimentos “colaborativos” con otros de ciencia básica en el área de la óptica cuántica, como por ejemplo para la implementación de protocolos de distribución cuántica de claves, que permitirían en el futuro la utilización de protocolos de seguridad informática en principio ultraseguros. “Los campos se mezclan un poco en el día a día. Así como hicimos este experimento de los principios de la física cuántica también estamos trabajando en sistemas que eventualmente puedan usarse para la distribución de claves en fibra óptica, para mejorar la seguridad de las comunicaciones”, explicó.

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