Francis en Trending Ciencia: Visualizan el entrelazamiento cuántico entre dos fotones

Ya puedes disfrutar de mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción del audio.

Anton Zeilinger, el famoso físico austriaco que es eterno candidato al Premio Nobel de Física, y sus colegas en la Universidad de Viena, ha preparado un vídeo de youtube en el que visualiza el entrelazamiento cuántico en polarización entre dos fotones. El vídeo es espectacular y no te lo deberías perder. En mi blog tienes el enlace. Dicho vídeo se ha preparado como información suplementaria a su artículo de acceso gratuito “Real-Time Imaging of Quantum Entanglement” (“imagen en tiempo real del entrelazamiento cuántico”), cuyos autores son Robert Fickler, Mario Krenn, Radek Lapkiewicz, Sven Ramelow y Anton Zeilinger, publicado en la revista del grupo Nature Scientific Reports el pasado 29 de Mayo de 2013. 

Robert Fickler, Mario Krenn, Radek Lapkiewicz, Sven Ramelow & Anton Zeilinger, “Real-Time Imaging of Quantum Entanglement,” Scientific Reports 3: 1914, 29 May 2013. Más información en “Sean Carroll, “The Universe on a StratocasterNew Video Project,” S = k log W, May 29, 2013.

Dibujo201300602 entanglement

La polarización es una propiedad de la luz cuyo origen cuántico es el hecho de que el campo electromagnético es un campo con dos campos componentes independientes. Un sólo fotón tiene una polarización bien definida que está definida por un ángulo. En un laboratorio de óptica cuántica podemos generar un fotón con una polarización dada; por ejemplo, a cero grados o polarización horizontal |H>, a 90 grados o polarización vertical |V>, o incluso a cualquier ángulo intermedio; en este último caso, si escribimos el estado del fotón como coseno de alfa por el estado horizontal más seno de alfa por el estado vertical (cos(α) |H> + sin(α) |V>) encontramos que al medir la polarización del fotón será horizontal |H> con una probabilidad de cos²(α) y será vertical |V> con una probabilidad de sin²(α). En un laboratorio de óptica cuántica disponemos de detectores de polarización que podemos ajustar para medir polarización horizontal, vertical o en cualquier otro ángulo. Si un fotón en polarización horizontal incide en un detector ajustado a polarización vertical, la probabilida de de detectarlo será cero, si incide uno con polarización vertical será del 100% y si incide uno a 45 grados será del 50%.

Dibujo20130602 Sketch of the experimental setup

En los laboratorios de óptica cuántica se dispone de generadores de pares fotones entrelazados en polarización, dispositivos capaces de generar dos fotones indistinguibles entre sí en los que uno está polarizado en horizontal y el otro en vertical. Como no sabemos cuál es el cuál es estado cuántico de los dos fotones es un estado de superposición de las dos posibilidades, que el primer fotón esté en horizontal y el segundo en vertical, y que el primer fotón esté en vertical y el segundo en horizontal, sea un estado entrelzadado |HV> + |VH>. No sabemos cuál es la polarización de cada uno de los fotones, lo único que sabemos es que ambas polarizaciones son complementarias entre sí. Al detectar uno de los fotones y obtener como resultado una polarización horizontal sabemos de inmediato que la polarización del otro fotón será vertical, incluso si dicho fotón se encuentra muy lejos.

Para visualizar el entrelazamiento cuántico, el físico austríaco Zeilinger y sus colegas en la Universidad de Viena han decidido grabar en vídeo los dos detectores de fotones, un detector de polarización diagonal, cuyo ángulo α se puede variar, sobre el que incide el primer fotón y un detector en polarización vertical sobre el que incide el segundo fotón. Estos detectores son pantallas CCD ultrarrápidas de alta sensibilidad. Cada vez que un fotón es detectado en una de estas pantallas CCD se observa un destello de luz. Cuando se graban en vídeo de forma continua los destellos de luz en ambos detectores lo que se observa es que los fotones inciden de forma aleatoria en cada detector y no hay ningún patrón visible. A veces hay un destello en un detector, a veces en el otro, y a veces en ambos. El resultado parece completamente aleatorio. Nada indica que la fuente de los fotones los hubiera entrelazado entre sí.

Dibujo201300602 Detected photon number per angular region for different polarizations of the trigger photon

Para visualizar el entrelazamiento cuántico hay que hacer el siguiente truco. Grabar la imagen de vídeo con ambos detectores sólo cuando uno de ellos detecta un fotón. Zeilinger y sus colegas han elegido el detector diagonal a un cierto ángulo en la parte izquierda de la imagen  del vídeo y un detector horizontal en la parte derecha de la imagen. Cuando un fotón incide sobre el detector diagonal colocado a 45 grados, si dicho fotón es horizontal o vertical puede producirse un destello con un 50% de probabilidades. Si de la grabación del vídeo anterior quitamos los fotogramas en los que sólo uno de los detectores produce destello y dejamos sólo los fotogramas en los que ambos detectores producen destellos, en lugar de una imagen aleatoria se observa un patrón muy curioso en ambos lados de la imagen. En el detector diagonal se observan dos franjas verticales separadas por una región vacía y en el detector horizontal un aro circular con el centro vacío. Más aún, variando el ángulo del detector diagonal (o el ángulo de polarización de los fotones entrelazados) se observa como el patrón de dos franjas verticales se pone a rotar   acompañado del otro patrón. El vídeo es realmente espectacular.

El entrelazamiento cuántico es una de las consecuencias más importantes de la física cuántica y tiene múltiples aplicaciones. Yo destacaría su aplicación en la computación cuántica: el paralelismo cuántico consiste en aplicar un operador cuántico a un registro de bits cuánticos entrelazados; cada cubit puede tener dos estados posibles y el registro de n cubits puede tener 2 elevado a n estados posibles. Aplicar una operación cuántica a dicho registro de n cubits es equivalente a aplicar dicha operación a cada uno de los 2 elevado a n estados posibles, por lo que si se quisiera simular dicha operación con un ordenador clásico habría que utilizar 2 elevado a n operaciones clásicas. El entrelazamiento cuántico es el secreto del paralelismo cuántico y de la eficiencia de los ordenadores cuánticos a la hora de resolver ciertos problemas.

El nuevo vídeo de Zeilinger y sus colegas seguro que acabará formando parte de las ilustraciones multimedia de todos los cursos de física  cuántica, como ya forma parte de ella el vídeo Akira Tonomura y sus colaboradores de Hitachi en 1989 sobre el experimento de doble rendija.

Más información en “El experimento de la doble rendija de Hitachi o el experimento más bello de toda la física.”

Si no has escuchado aún el audio de mi podcast, sigue este enlace.

3 pensamientos en “Francis en Trending Ciencia: Visualizan el entrelazamiento cuántico entre dos fotones

  1. Un podcast fantástico. Muy pedagógico. Soy una total extraña para la física y lo he entendido perfectamente y también he comprendido lo impresionante que es el vídeo. Muchas gracias Francis, por hacer la física tan cercana y comprensible para esta completa ignorante. Tú lo haces parecer fácil. Muchas felicidades.

  2. Es increíble lo que da de sí la dichosa doble rendija, al ritmo que llevan los experimentos realizados pronto veremos alguno en el que los objetos lanzados sean tomates, para regocijo de las gentes de Buñol. Luego dirán que los restos de tomate esparcidos por doquier tras el impacto constituyen una prueba de la superposición de estados cuánticos.

    • Mucho cuidado, Bonzo, todos los intentos de realizar un experimento tipo doble rendija con objetos de decenas de nanómetros han fracasado hasta el momento y aunque en la prensa se ha llegado a decir que hay quien intenta hacerlo incluso con seres vivos microscópicos, dichos experimentos son, por ahora, pura futurología.

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