image: This is an artistic impression of the entanglement between electrons. view more
Credit: ICFO
Este comunicado está disponible en inglés.
Un dispositivo de generadores de números aleatorios desarrollado en el ICFO - El Instituto de Ciencias Fotónicas, por los grupos de investigación de los profesores ICREA Morgan W. Mitchell y Valerio Pruneri, ha demostrado desempeñar un papel fundamental en el experimento histórico publicado hoy en Nature online por el grupo del Dr. Ronald Hanson de la Universidad de Tecnología de Delft. Los resultados del experimento representan la refutación más potente y evidente hasta la fecha del principio de "realismo local" de Albert Einstein, el cual postula que el universo obedece a leyes y no al azar, y que no existen comunicaciones que puedan viajar más rápido que la luz.
Descrito con detalle en la página web del grupo del Dr. Hanson, el experimento que llevaron a cabo los científicos de Delft consistió en lo siguiente: primero "enredaron" dos electrones atrapados en el interior de dos cristales de diamante diferentes, y luego midieron las orientaciones de los electrones. En teoría cuántica la propiedad de enredado o "entanglement" es muy poderosa y a la vez misteriosa: matemáticamente los dos electrones son descritos por una sola " función de onda" que sólo especifica si estas partículas están de acuerdo o no, pero no describe si los spins de las mismas están en una dirección determinada u otra. En un sentido matemático, pierden sus identidades individuales. Consecuentemente, el concepto de "realismo local" intenta explicar el mismo fenómeno con menos misterio, postulando que las partículas deben estar apuntando en algún lugar, pero simplemente no sabemos sus direcciones hasta que las medimos. Cuando se midieron los electrones en el experimento de Delft, se observó que estas partículas efectivamente aparecen orientadas de forma aleatoria pero, sin embargo, ambas parecen entenderse muy bien a su vez. Tan bien, de hecho, que es imposible que hayan tenido orientaciones pre-establecidas o pre-existentes, tal y como lo reclama la teoría de realismo de Einstein.
Este comportamiento de entendimiento sólo es posible si los electrones se comunican entre sí, algo muy sorprendente para electrones atrapados en diferentes diamantes. Pero incluso aquí está la parte más asombrosa: en el experimento de Delft, los diamantes se encontraban en diferentes edificios, a 1,3 km de distancia el uno del otro. Las mediciones se hicieron de forma tan rápida que no hubo ni tiempo para los electrones pudiesen comunicarse entre sí, ni siquiera con una señal viajando a la velocidad de la luz. Esto pone en duda la teoría de "realismo local": si las orientaciones de electrones son reales, los electrones deben de haberse tenido que comunicar de alguna manera y si se comunicaron, deben de haberlo hecho más rápido que la velocidad de la luz. No ha salida alguna, esta observación puesto en duda la teoría de realismo local de Einstein. O Dios juega "dados" con el Universo, o los spins de los electrones pueden hablarse entre sí a una velocidad más rápida que la velocidad de la luz.
Para llevar a cabo este sorprendente experimento se necesitó de decisiones totalmente impredecibles y extremadamente rápidas sobre cómo medir las orientaciones o spins de los electrones. Si las medidas hubieran sido predecible, los electrones podían haber acordado, de antemano, hacia dónde apuntar, simulando la existencia de comunicaciones cuando realmente no ha habido ninguna, un vacío a nivel experimental conocido con el nombre de "loophole". Para cerrar o resolver este vacío, el equipo de científicos de Delft buscó ayuda en los investigadores del ICFO, quienes tienen el récord en haber desarrollado un equipo que genera los números aleatorios cuánticos más rápidos hasta la fecha.
ICFO diseñó un par de "dados cuánticos" para el experimento: una versión especial de su tecnología patentada de generación de números aleatorios, incluyendo electrónica "de extracción aleatoria" extremadamente rápida. Estos produjeron un bit aleatorio extremadamente puro para cada medición realizada en el experimento de Delft. Los bits se produjeron en unos 100 ns, el tiempo que tarda la luz en viajar únicamente 30 metros, y por tanto un tiempo insuficiente para que los electrones puedan comunicarse entre sí. "Delft nos pidió ir más allá de la frontera de dispositivos de última tecnología en generación de números aleatorios. Nunca antes un experimento ha requerido de números aleatorios tan buenos y en tan poco tiempo. "comenta Carlos Abellán, un estudiante de doctorado en el ICFO y co-autor del estudio Delft.
Para el equipo del ICFO, la participación en el experimento de Delft ha sido más que una oportunidad de contribuir al campo de la física fundamental. El Prof. Morgan Mitchell comenta: "Trabajar en este experimento nos empujó a desarrollar tecnologías que ahora definitivamente podemos aplicar para mejorar la seguridad en las comunicaciones y la informática de alto rendimiento, otras áreas que requieren de números aleatorios de alta calidad y a una alta velocidad."
Con la ayuda de los generadores de números aleatorios cuánticos del ICFO, el experimento de Delft ha refutado de forma casi perfecta a la visión del mundo de Einstein, en la que "nada viaja más rápido que la luz" y "Dios no juega a los dados". Al menos uno de estos estados debe estar equivocado. Las leyes que rigen el Universo pueden ser de hecho regidas por el lanzamiento de dados.
###
Referencia
"Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres", http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature15759
Sobre el ICFO
El ICFO-Instituto de Ciencias Fotónicas es un centro de investigación de excelencia dedicado a la ciencia y tecnologías de la luz con una triple misión: llevar a cabo la investigación de frontera, formar la próxima generación de científicos, y proporcionar la transferencia de conocimiento y tecnología. Hoy en día, es uno de los centros de investigación más importantes de todo el mundo en su categoría, medida por los rankings internacionales.
La investigación en el ICFO es de frontera y está orientada a programas dirigidos a aplicaciones de la luz en salud, ciencias de la vida, energías renovables, tecnologías de la información, seguridad y procesos industriales, entre otros. El centro acoge 300 investigadores y estudiantes de doctorado que trabajan en un edificio en el Parque Mediterráneo de la Tecnología, en Castelldefels, en el área metropolitana de Barcelona.
ICFO participa en un gran número de proyectos así como redes internacionales de excelencia siendo anfitrion del programa NEST, financiado por la Fundación Privada Cellex Barcelona. ICFO es miembro del programa de Excelencia Severo Ochoa Excelence asi como del Barcelona Institute of Science and Technology.
Journal
Nature