Francis en Trending Ciencia: El entrelazamiento entre cubits de diamante

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Disfruta de mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física una noticia sobre mecánica cuántica, en concreto, un nuevo récord de distancia en el entrelazamiento de dos cubits de estado sólido implementados mediante cristales de diamante (ya hablé de ello en este blog). El grupo de investigación del Prof. Ronald Hanson, de la Universidad Técnica de Delft, Países Bajos, ha publicado online en Nature el pasado 24 de abril un artículo cuyo primer autor es su estudiante de doctorado Hannes Bernien, que ya apareció en el servidor de preprints arxiv el 26 de diciembre del año pasado, en concreto, el artículo arxiv:1212.6136.

El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013 [arXiv:1212.6136]. Recomiendo leer también a Richard Van Noorden, “Diamond shows promise for a quantum Internet. Crystal could be used to connect distant quantum networks,” Nature News, 24 Apr 2103.

Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es muy difícil pues se requiere un protocolo con una partícula que actúa como mediadora que recorra dicha distancia. Entrelazar dos cubits implementados con diamante en una distancia de 3 metros parece poco, pues esta distancia es muy pequeña comparada con los casi 200 km que se logran con cubits implementados con fotones, pero trabajar con cubits implementados con diamante es mucho más difícil.

Pero antes de discutir más sobre este logro, permíteme recordar qué es el entrelazamiento cuántico, qué son los cubits implementados en celdas de diamante y por qué son tan interesantes.

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La física del estado sólido también viola las desigualdades de Bell

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La mecánica cuántica viola las desigualdades de Bell, lo que implica que no existe una teoría precuántica local y realista de variables ocultas. Por primera vez se ha logrado demostrar en un sistema físico de estado sólido, cubits superconductores tipo Josephson. Un par de cubits entrelazados cuya medida cuántica simultánea viola la versión de Clauser–Horne–Shimony–Holt (CHSH) de la desigualdad de Bell. El valor cuántico medido excede el valor clásico en 244 desviaciones estándares. Este experimento es una prueba casi definitiva de que un cubit implementado con un diodo superconductor tipo Josephson es un sistema cuántico a escala macroscópica. El artículo técnico es Markus Ansmann et al., “Violation of Bell’s inequality in Josephson phase qubits,” Nature 461: 504-506, 24 September 2009.

En física clásica las leyes deterministas permiten una descripción completa de la evolución de un sistema físico. La mecánica cuántica pretende lo mismo, sin embargo, el proceso de medida involucra una incertidumbre en el resultado que ha llevado a muchos, entre ellos a Einstein, a proponer que la descripción cuántica es incompleta. La medida cuántica de partículas entrelazadas añade a la impredicibilidad del resultado de la medida ciertas correlaciones muy fuertes entre las medidas de las partículas individuales que llevan a experimentos mentales aparentemente paradójicos como el desarrollado por Einstein, Podolsky y Rosen. El protocolo CHSH describe un experimento de este tipo con un test estadístico que permite distinguir entre una física precuántica clásica que predetermina el resultado y una física cuántica impredecible. Sin entrar en detalles técnicos, cierta magnitud tendría un valor |S|<= 2 si existiera una teoría clásica que predeterminara los resultados de la medida, mientras que un modelo puramente cuántico permitiría alcanzar un valor mucho mayor, hasta |S|<=2.828. Más aún, si los resultados de las medidas fueran completamente aleatorios el resultado sería |S|=0. Un experimento demuestra una violación de la desigualdad de Bell tipo CHSH si se obtiene un resultado |S|>2.

La deducción de las desigualdades de Bell siempre involucra ciertas hipótesis, que si no cumplen, nos llevan a posibles lagunas (loopholes) en el argumento que, en principio, permitirían que un experimento mostrara violaciones de Bell incluso para procesos predeterminados clásicamente. El primer loophole es la hipótesis del muestreo justo, también llamado laguna de la  detección, afectando a los experimentos en los que el resultado además de 0 y 1 puede ser también un “no detectado.” Por ejemplo, en los experimentos con fotones, cierta fracción de fotones se pierden, no son detectados por los mejores detectores disponibles. El segundo loophole es la hipótesis de localidad o causalidad, que aparece cuando la detección de las dos partículas entrelazadas no se realiza con una separación suficientemente grande que garantice que una señal a la velocidad de la luz no pueda transmitir la información cuántica en el experimento.

Los autores de este nuevo trabajo afirman que su experimento cubre ambas lagunas (loopholes). Son capaces de generar un par de cubits entrelazados con absoluta certidumbre (un 96% de las veces) y una vez logrado pueden medir ambos cubits siempre, luego cumplen la hipótesis de muestreo justo (juego limpio). Por otro lado, los cubits están separados 3.1 mm y la medida se realiza en unos 30 ns, lo que garantiza su no localidad. La señal de Bell que han logrado medir en las condiciones óptimas de su experimento es de |S|=2,07326 +/- 0,0003, que corresponde a una violación de 244 desviaciones estándares. El valor ha sido obtenido tras promediar 34,1 millones de medidas. Se estima teóricamente que si todas las medidas fuera perfectas este resultado equivale a |S|=2,355.

Este tipo de experimentos son extremadamente difíciles de realizar, por ello, este trabajo es un gran resultado experimental, que, sin lugar a dudas,vuelve a corroborar que la mecánica cuántica es una descripción completa bajo la cual no subyace ninguna precuántica clásica que predetermine sus resultados.