El físico francés Alain Aspect es firme candidato al Nobel de Física por su experimento tipo Bell de 1982. No lo ha recibido aún porque su experimento no está libre de loopholes. Ronald Hanson (Univ. Delft, Holanda) podría acompañarle, pues su grupo afirma haber logrado el primer experimento tipo Bell libre de todos los loopholes posibles. Si se confirma habrá colocado a Aspect en la antesala del Nobel y él mismo podría acompañar al maestro.
La desigualdad CHSH–Bell para una teoría local y realista implica que S ≤ 2. La mecánica cuántica predice S = 2 √2 = 2,83 > 2. El nuevo experimento ha demostrado S = 2,42 ± 0,20, lo que implica verificar la violación de la desigualdad con un valor p de 0,039, es decir, unas 2,1 sigmas de confianza estadística. Habrá que repetir el experimento muchas más veces para incrementar esta confianza, pero como no se trata de física de partículas no se requieren las famosas 5 sigmas para proclamar que el resultado es espectacular.
Nos lo cuenta de forma estupenda Zeeya Merali, “Quantum ‘spookiness’ passes toughest test yet,” Nature News, 27 Aug 2015, que se hace eco del artículo B. Hensen et al., “Experimental loophole-free violation of a Bell inequality using entangled electron spins separated by 1.3 km,” arXiv:1508.05949 [quant-ph].
Recomiendo leer sobre loopholes a Chad Orzel, “New Experiment Closes Quantum Loopholes, Confirms Spookiness,” Forbes, 27 Aug 2015.
Hace más de 80 años John Bell probó que la mecánica cuántica no puede ser local y realista (es decir, o bien es local pero no realista, o bien es realista pero no local). Bell mostró que toda teoría local y realista debe cumplir una desigualdad que lleva su nombre. La mecánica cuántica viola dicha desigualdad, como Bell demostró de forma teórica. Se han desarrollado muchos experimentos de laboratorio para confirmar que la mecánica viola la desigualdad de Bell, pero todos estos experimentos tipo Bell presentan algún tipo de “agujero” (loophole) por los que se puede colar el realismo (“Loopholes in Bell test experiments,” wikipedia).
El experimento ejecutado fue propuesto por Clauser, Horne, Shimony y Holt (CHSH) en 1969, siguiendo ideas de Bell en 1964 y es más conocido como el experimento de los “calcetines de Bertlamnn” desde que Bell lo popularizó en 1981 (John S. Bell, “Bertlmann’s socks and the nature of reality,”J. Phys. Colloques 42: C2-41–C2-62 (1981), doi:10.1051/jphyscol:1981202). La realización de este experimento en laboratorio es muy difícil y rara vez está libre de loopholes. Para sorpresa de muchos, Hanson y sus colegas proclaman haber logrado una implementación libre de loopholes. Análisis detallados por otros expertos serán necesarios para confirmarlo fuera de toda duda.
Han usado cubits de diamante (dos átomos de carbono se reemplazan por un átomo de nitrógeno y un hueco o “vacante”); estos cubits de estado sólido son los de mayor vida media, se pueden montar en un chip y operan a una temperatura de 4 K. Los han separado 1280 metros para tener una ventana de tiempo de 4,27 microsegundos (tiempo que tarda la luz en el vacío en recorrer dicha distancia). Gracias a los cubits de diamante es posible realizar todos los protocolos en este breve intervalo de tiempo.
Han entrelazado los dos cubits usando el protocolo cuántico de intercambio de entrelazamiento de Barrett–Kok. En concreto, se excitan con sendos láseres los cubits (A y B) emitiendo fotones que se dirigen a un punto común (C) donde son medidos; si la medida indica que son indistinguibles entonces se puede afirmar que los cubits originales estaban entrelazados. En paralelo se ejecuta un experimento de tipo Bell con dichos cubits (Alice y Bob) midiendo el espín de ambos electrones de forma consecutiva en menos unos 3,7 microsegundos.
Para la medida de los espines de los electrones se puede colocar el aparato de medida en dos posiciones, sean Z por vertical y X por horizontal. El resultado de la medida en modo Z será +Z o −Z, y en modo X será +X o −X. El experimento de tipo Bell consiste en medir ambos espines en las cuatro combinaciones posibles (ZZ, ZX, XZ y XX) y contar cuántas veces coinciden los resultados de ambas medidas. El experimento ha sido repetido 245 veces durante un tiempo total de medida de 220 horas.
El resultado del experimento ha sido coincidencia de resultados el ∼80% de las veces en modo ZZ y solamente el ∼20% de las veces en los modos ZX, XZ y XX. La predicción de la mecánica cuántica es del 85% versus el 20% en buen ajuste con el resultado experimental. Para cumplir la desigualdad de Bell una teoría local y real (es decir, de variables ocultas) predice coincidencia de resultados como mucho el 75% de las veces en modo ZZ y el 25% en los modos ZX, XZ y XX.
¿Está libre de loopholes el experimento? Aplicando el análisis estadístico convencional para este tipo de experimentos afirman obtener un valor para S = (+,+) + (+,−) + (−,+) − (−,−) = 2,42 ± 0,20, con un valor p de 0,019. Dicho análisis no está libre delloophole de memoria (la posibilidad de que haya correlaciones espaciotemporales porque se mide lo mismo en los mismos cubits en el mismo lugar de forma repetida). Un nuevo análisis estadístico que evita este problema, que los autores bautizan como completo, conduce a un valor p de 0,039. En cualquier caso estamos hablando de unas 2 sigmas de confianza estadística en contra de la hipótesis nula (S ≤ 2).
En resumen, un trabajo muy interesante que apunta a una revista top (como Nature o Science) y que, si se confirma que está libre de loopholes, podría ser el pistoletazo de salida para el Premio Nobel de Física a Alain Aspect.
