viernes, 6 de noviembre de 2015

La espeluznante acción a distancia que detestaba Einstein

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La física cuántica predice que dos electrones pueden entrelazarse de tal modo que el espín de cada electrón es totalmente desconocido, pero los dos están vinculados y dependen el uno del otro. 
Si se mide el espín de un electrón y se observa hacia arriba, se sabrá al instante que el otro electrón tiene el espín hacia abajo, incluso si está en otra galaxia. 
Esta “espeluznante acción a distancia” fue algo que detestaba Einstein pues parecía violar su teoría de la relatividad. En 1964 John Bell encontró una forma de ponerla a prueba. 
Desde la década de 1970 se ha confirmado este fenómeno cuántico, pero siempre con algunos “resquicios” (loopholes). Se publica en Nature una prueba de la idea de Bell sin ningún “resquicio” en una distancia de 1,28 kilómetros.
 Lo siento por Einstein, pero la Naturaleza es así.
El artículo es B. Hensen et al., “Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres,” Nature, AOP 21 Oct 2015, doi: 10.1038/nature15759(“Experimental loophole-free violation of a Bell inequality using entangled electron spins separated by 1.3 km,” arXiv:1508.05949 [quant-ph]); nos lo cuenta de forma estupenda Zeeya Merali, “Quantum ‘spookiness’ passes toughest test yet,” Nature News, 27 Aug 2015.
Más información en “Un experimento tipo Bell libre de loopholes,” LCMF, 28 Ago 2015; Daniel Manzano, “El experimento sobre entrelazamiento libre de “loopholes”,”Manzanas Entrelazadas, 03 Sep 2015; Kanijo, “Más pruebas para apoyar la ‘acción fantasmal a distancia’,” Ciencia Kanija, 07 Sep 2015, traducción de Adrian Cho, “More evidence to support quantum theory’s ‘spooky action at a distance’,” Science News, 28 Ago 2015; “Un experimento detecta la acción fantasmagórica que Einstein rechazaba,” Agencia SINC, 22 Oct 2015.
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Einstein dijo que “Dios no juega a los dados” y Bohr le contestó “Einstein, deja de decir a Dios lo que tiene que hacer”.
 La discusión entre Einstein y Bohr, y otros físicos que defendían la mecánica cuántica, fue muy interesante. 
¿En qué quedaron estas discusiones más próximas a la filosofía que a la física? 
En la mayoría de estas discusiones Einstein se inventaba un experimento mental que, en su opinión, demostraba que la mecánica cuántica no funcionaba. Experimentos mentales elegantes, profundos y muy creativos. Pocos físicos cuánticos eran capaces de encontrar fallos en los argumentos de Einstein.
 El resultado más famoso de estas discusiones fue la llamada paradoja EPR, por un artículo que Albert Einstein publicó en 1935 junto con Boris Podolski y Nathan Rosen. El argumento EPR demostraba que una teoría cuántica no puede ser local, es decir, en apariencia hay información que se transmite de forma instantánea, a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el vacío.
 El argumento es el siguiente. Generemos dos fotones en un estado cuántico entrelazado (es decir, para saber el estado del primero hay que saber el del segundo y viceversa) y separémoslos una gran distancia. 
El medir el estado del primer fotón se sabe de forma instantánea el estado del segundo fotón, incluso si una señal luminosa en el vacío no puede transmitir esta información en la distancia que les separa. En apariencia el proceso es instantáneo. 
Bohr no fue capaz de responder de forma satisfactoria al argumento EPR, pero parecía que era imposible verificar de forma experimental si la física cuántica tenía razón o si la tenía Einstein. Hasta que un físico norirlandés, John Stewart Bell, propuso en 1964 un experimento para dilucidar la cuestión. 
Su trabajo consistió en encontrar una expresión matemática, una desigualdad entre los resultados probabilísticos de un experimento, que se cumplía si Einstein tenía razón, pero que se violaba según las leyes de la física cuántica.
 El primer físico en realizar el experimento de Bell fue el físico francés Alain Aspect en el año 1982. Pero los experimentos cuánticos son muy complicados y el experimento de Aspect, así como otros posteriores, no está libre de ciertos resquicios (en inglés loopholes) que impiden estar seguro al 100% que Einstein estaba equivocado. 
Ha costado más de 30 años, pero esta semana se ha publicado en la revista Nature lo que aparenta ser el primer experimento de tipo Bell libre de resquicios.
 El entrelazamiento cuántico entre dos electrones situados en dos laboratorios separados 1,3 km de distancia en el campus de la Universidad Técnica de Delft (Holanda) se ha demostrado fuera de toda duda. 
Todos los resquicios (loopholes) han sido eliminados. 
Este trabajo en el que ha participado el Instituto de Ciencias Fotónicas(ICFO) de Barcelona se puede considerar la prueba definitiva de la física cuántica, un experimento de Bell sin ningún resquicio conocido.
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Este experimento cuántico indica que el estado de una partícula se ha transmitido de forma instantánea a otra partícula, lo que parece violar la teoría de la relatividad de Einstein. 
¿Se puede decir que este resultado permite transmitir información más rápido que la velocidad de la luz? 
No, aunque muchas veces se afirma que la física cuántica y la teoría de la relatividad son incompatibles, no es cierto. 
Aunque la física cuántica afirma que el estado cuántico de dos partículas entrelazadas se puede conocer de forma instantánea tras conocer el estado de una de ellas, también afirma que es imposible transmitir información usando el estado de partículas entrelazadas. 
La información cuántica se puede transmitir como mucho, igual que la información clásica, a la velocidad de la luz en el vacío.
 Nunca se puede transmitir información más rápido que lo permitido por la teoría de la relatividad. Este resultado es un teorema matemático de la física cuántica que además ha sido verificado en multitud de experimentos de laboratorio realizados en el último siglo.
 El estado cuántico entre dos partículas entrelazadas está conectado por lo que se llama un contexto cuántico que, aunque es diferente a un contexto clásico, no permite la transmisión de información.
 El equipo de científicos dirigido por el profesor Ronald Hanson de la Universidad Técnica de Delft (Holanda) ha demostrado el experimento ideado por Bell para demostrar que Einstein estaba equivocado sin ninguno de los resquicios asociados a este tipo de experimentos que se han documentado en los últimos 30 años. Hasta donde sabemos, los dos electrones entrelazados en espín en sendos cristales de diamante, que se han separado una distancia de 1280 metros en el campus de la universidad de Delft, se comportan exactamente como predice la física cuántica. 
En contra de las opiniones de Einstein, que pensaba que ambos electrones se tenían que transmitir algún tipo de información entre ellos; al medir el estado de uno de los electrones se predice al 100% el estado del otro electrón, lo que se confirma midiéndolo un poco más tarde, pero con una medición tan rápida que no hay tiempo para que ambos electrones se puedan transmitir ningún tipo información entre sí, ni siquiera con una señal viajando a la velocidad de la luz.
 Como todos los físicos esperábamos este experimento confirma la física cuántica en contra de las ideas basadas en variables ocultas de Einstein.
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La gran pregunta que todo el mundo se hace es si este tipo de experimentos tienen alguna utilidad práctica. ¿Para qué se puede usar la tecnología cuántica desarrollada en este experimento?
 Como es obvio este tipo de trabajos de ciencia básica no se conciben ni diseñan para tener una aplicación práctica inmediata o directa. Sin embargo, el entrelazamiento cuántico es un fenómeno que hoy en día se usa en criptografía cuántica y permite mejorar la seguridad en las comunicaciones ultrasecretas.
 Un canal de comunicación cuántico es absolutamente seguro, incluso ante ataques mediante ordenadores cuánticos, si se usan protocolos basados en el entrelazamiento.
Cualquier intento de observar la información que se transmite por el canal de comunicación implica una destrucción del entrelazamiento de las partículas que se encuentran en ambos extremos de la línea. 
Por tanto, cualquier intento de desvelar la información transmitida será detectado. La criptografía cuántica es absolutamente segura en el sentido de que con absoluta seguridad se puede saber si existe un espía. 
Evitar que alguien espíe de alguna forma es imposible, pero la criptografía cuántica garantiza que dicho espía será detectado con un seguridad del 100%. Gracias a ello se puede saber si la información se ha transmitido de forma segura. 
El problema práctico de estos sistemas es que son muy lentos y muy caros, pues requieren un cableado de fibra óptica específico.
 En el futuro se espera que su coste disminuya, aunque quizás nunca tanto como para que todo el mundo los use de forma masiva.
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El nuevo experimento ha demostrado sin resquicios que no existen las variables ocultas de Einstein que conectan entre sí la información cuántica de los dos electrones. ¿Cuáles son exactamente los resquicios que tenían experimentos anteriores? 
Explicar estos experimentos en detalle es complicado. La idea es que las correlaciones cuánticas podrían tener un origen clásico, cierta información clásica que ignoramos pero que es responsable de los fenómenos cuánticos que observamos. Esta información clásica que ignoramos se llaman variables ocultas de Einstein. Para garantizar que estas variables desconocidas no pueden existir hay que cumplir dos requisitos imprescindibles. 
Por un lado, hay que evitar que ambos electrones se hayan comunicado su estado cuántico de alguna forma en el pasado. Para ello hay que modificar el estado de uno de los electrones completamente al azar.
 Parece fácil generar un número aleatorio, basta tirar un dado y ver el resultado, pero en la práctica es muy difícil ya que hay que realizar este proceso de la forma más rápida posible. 
El equipo de científicos de la Universidad de Delft buscó ayuda en los investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona que han desarrollado el equipo que genera los números aleatorios cuánticos más rápido hasta la fecha. El récord del generador de números cuánticos aleatorios más rápido del mundo es español.
 En elInstituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona se diseñaron un par de “dados cuánticos” que producen un bit aleatorio extremadamente puro cada 100 nanosegundos, el tiempo que tarda la luz en viajar unos 30 metros.
 Gracias a este récord español se puede garantizar que al modificar el estado de un electrón sin alterar el estado del otro no hay ninguna posibilidad de que los valores de las variables ocultas que podrían estar asociadas a dicho estado cuántico sean comunicadas (ni a la velcocidad de la luz en el vacío) al otro electrón que se encuentra a casi 1,3 km de distancia. Y por otro lado, está el problema de la eficacia de los detectores.
Las medidas cuánticas del estado de un electrón son complicadas y están sujetas a muchos errores estadísticos y sistemáticos. 
En dichos errores se podrían ocultar correlaciones clásicas entre ambos electrones. Para demostrar de forma indiscutible la violación de las desigualdades de Bell es necesario que el número de experimentos exitosos sea superior al 75%. 
Parece fácil, pero algunos experimentos anteriores no lo habían logrado. 
El nuevo experimento ha superado el 80% gracias a 245 ensayos exitosos. 
Hay otros detalles técnicos relevantes, pero sin entrar en ellos, lo que está claro es que para todos los físicos hasta el momento el nuevo experimento es sin lugar a dudas una demostración definitiva de la mecánica cuántica.
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Un resultado tan importante nos hace pensar en un Premio Nobel en este campo en los próximos años. ¿Quiénes crees que podrían recibir dicho galardón? 
Sin lugar a dudas habrá un Premio Nobel de Física en este campo gracias a este último trabajo. Quizás en menos de un lustro, el físico francés Alain Aspect, uno de los candidatos al Nobel más firmes de los últimas décadas acabará obteniendo tan preciado galardón. Junto a Aspect también podrían recibirlo otros físicos que han realizado experimentos de tipo Bell, quien falleció en 1990 y por tanto no puede recibir el galardón por su trabajo teórico. Yo destacaría el físico estadounidense John Clauser y el físico austríaco Anton Zeilinger. Los tres podrían recibir el premio Nobel de Física por sus experimentos que han demostrado que la física cuántica muestra esa “espeluznante acción a distancia” que tanto desagradaba a Einstein.
 Ya ganaron el premio Wolf en el año 2010 y el nuevo experimento publicado en la revista Nature parece el empujón final que necesitaban estos tres físicos para acabar alcanzando la gloria del premio Nobel. 
Sin lugar a dudas lo merecen y sin lugar a dudas la razón por la que no lo habían recibido hasta ahora era que los experimentos tipo Bell tenían resquicios. Eliminados estos resquicios la alfombra roja ya está puesta a sus pies. 
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno físico fundamental para los futuros computadores cuánticos y para todos los sistemas de tratamiento cuántico de la información, tanto en telecomunicaciones como en criptografía. 
El trabajo teórico de Bell mostró qué había que hacer para demostrar mediante experimentos que Einstein estaba equivocado en sus opiniones sobre la física cuántica y darle a Bohr la razón. 
Todos los físicos estamos esperando que dicho trabajo sea galardonado con el premio Nobel.