¿Qué es el Entrelazamiento Cuántico? Definición y Ejemplos

¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

Cuando los físicos hablan del reino cuántico o de la física de partículas con las unidades más elementales de la realidad, las cosas a menudo comienzan a sonar extremadamente raras o surrealistas. Uno de estos extraños temas cuánticos es el entrelazamiento cuántico. Pero, ¿qué es exactamente el entrelazamiento cuántico? Si cuántica se refiere a lo realmente pequeño o subatómico como protones, electrones, quarks, y otros. Entonces, ¿cuál es el significado del entrelazamiento? El entrelazamiento cuántico es el fenómeno físico entre partículas que interactúan entre sí, comparten espacio o se separan de la misma partícula principal, donde no se puede describir que las partículas tengan estados independientes entre sí. Es decir, las partículas de alguna manera están entrelazadas, y los aspectos de cada partícula a veces dependerán de los aspectos de la otra. Una analogía son dos bolas que chocan en el aire. Las bolas tendrían giros opuestos o momento angular como resultado de la colisión. Las bolas están enredadas porque al observar el giro de una bola en el sentido de las agujas del reloj se sabría inmediatamente que el giro de la otra bola es en el sentido contrario a las agujas del reloj. Es importante estudiar el entrelazamiento cuántico porque podría revelar aspectos fundamentales del universo. El entrelazamiento cuántico como fenómeno ha sido malinterpretado con la idea de que la información entre partículas puede viajar más rápido que la velocidad de la luz; lo que Albert Einstein denominó «acción espeluznante a distancia». Sin embargo, los físicos modernos han eliminado esta interpretación del entrelazamiento cuántico. En lugar de que las partículas se comuniquen entre sí a distancias imposibles, algunos físicos modernos interpretan el entrelazamiento cuántico como que las partículas son una y la misma. Irónicamente, los físicos interpretan este punto de vista como no espeluznante.

Historia del entrelazamiento cuántico y cómo funciona

La mejor manera de entender el entrelazamiento cuántico es explicar su historia. Antes de que Albert Einstein y sus colegas publicaran el primer artículo sobre entrelazamiento cuántico en 1935, el campo de la mecánica cuántica se desarrolló durante la década de 1920. Erwin Schrodinger desarrolló ecuaciones para describir algunas partículas cuánticas como funciones de onda probabilísticas; es decir, las partículas cuánticas existen en superposiciones cuánticas. La superposición cuántica es un aspecto fundamental de las partículas cuánticas. Las partículas cuánticas pueden existir en más de un estado, donde los estados se superponen para que equivalgan a un estado cuántico igualmente válido. Es decir, cualquier estado o aspecto de una partícula es la suma de dos o más estados cuánticos. Sin embargo, una vez que se realiza una medición u observación, solo uno de los estados superpuestos se vuelve observable. Por ejemplo, considere el experimento de doble rendija con luz o electrones. El experimento involucró inicialmente un haz de luz que pasaba a través de una doble rendija y luego se proyectaba sobre una superficie. El experimento demostró que la luz se comportaba como una onda y no como partículas (fotones). La luz que pasa a través de cada rendija interactuaría con la luz de la otra rendija y crearía un patrón de interferencia en la superficie proyectada. El patrón aparece como puntos brillantes o líneas con poca o ninguna luz entre ellos.

Un diagrama que describe el experimento de doble rendija con una corriente de electrones.

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La razón por la que esto ocurre es que donde se encuentran los puntos comunes de dos ondas de luz, se amplifican creando un área brillante. Mientras que los puntos opuestos en dos ondas de luz que se encuentran cancelan cada onda de luz. La luz de cada rendija interfiere con la otra como ondas de dos fuentes diferentes en un estanque en calma. Cuando la cresta o el pico de una ola se encuentra con el valle de otra, la ola se cancela y el agua está quieta o plana.

Las ondas de diferentes fuentes en un estanque tranquilo crearán un patrón de interferencia.

El mismo experimento se puede hacer con una corriente de electrones. Los electrones muestran el mismo comportamiento ondulatorio. Sin embargo, el experimento se vuelve extraño cuando solo se dispara una sola partícula (fotón o electrón) a través de la doble rendija a la vez. Al principio, parece que cada partícula pasa a través de una u otra rendija antes de impactar en la pantalla de detección del otro lado en una ubicación aleatoria. Sin embargo, si el experimento continúa a lo largo del tiempo y cada impacto de una partícula se traza y registra, ¡la suma de los datos equivale a un patrón de interferencia de todos modos! Tanto los fotones como los electrones son ejemplos de objetos cuánticos y se comportan como funciones de onda probabilísticas, y pueden tener propiedades y comportamientos tanto de ondas como de partículas. El experimento de la doble rendija con fotones o electrones singulares demuestra que cada partícula cuántica debe pasar no solo por una rendija, sino por ambas al mismo tiempo. Por ejemplo, un electrón individual disparado a través de una doble rendija existirá en una superposición de pasar a través de ambas rendijas (existiendo en dos lugares a la vez). Por lo tanto, la partícula puede interferir consigo misma y, con el tiempo, creará el patrón de interferencia en la pantalla de detección. Aunque las superposiciones cuánticas parecen extrañas, muchos experimentos más allá del experimento de la doble rendija demuestran que es una realidad. De la realidad de la superposición cuántica surgieron los experimentos mentales para el entrelazamiento cuántico desarrollados por Albert Einstein, Nathan Rosen y Boris Podolsky en 1935.

Experimento mental de entrelazamiento cuántico y la paradoja EPR

La mejor manera de demostrar el entrelazamiento cuántico es dividir una partícula en dos partículas, donde se sabe que la suma de un aspecto de las dos partículas hijas es igual a algún aspecto de la partícula madre. Considere el aspecto de las partículas conocido como espín. Las partículas se pueden medir para que tengan un giro «hacia abajo» o «hacia arriba» en relación con una orientación determinada. Sin embargo, hasta que se realice una medición con respecto al giro de una partícula dada, la partícula existe en una superposición de giro hacia arriba y hacia abajo. A David Bohm se le ocurrió un experimento mental simple que involucraba espín y superposición para demostrar el entrelazamiento cuántico. El mesón pi es una partícula inestable que se desintegra rápidamente en un electrón y un positrón, cada uno con un giro opuesto y alejándose el uno del otro. Sin embargo, el electrón y el positrón deben existir en una superposición de espín hacia arriba y hacia abajo; es decir, como funciones probabilísticas. Debido a que la suma del electrón y el positrón debe ser igual al mesón pi, las dos partículas están entrelazadas. Una vez que se observa una de las partículas, su superposición colapsa en un giro hacia arriba o hacia abajo. Por lo tanto, el giro de la otra partícula se conoce de inmediato porque debe ser el opuesto de la partícula observada. Einstein describió esto como una «acción espeluznante a distancia» porque cada superposición es una función de probabilidad y no determinista. Cada partícula tiene una probabilidad de existir en cualquier giro, pero solo elegirá uno cuando sea observado. Si se permitiera que el electrón y el positrón en el experimento mental de Bohm continuaran en superposiciones y se alejaran uno del otro, eventualmente podrían estar a años luz de distancia. Si una vez que estuvieran separados por años luz, se observara el giro de una partícula y su superposición colapsara, el giro de la otra partícula se conocería de inmediato. Esto crea una paradoja conocida como la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen o la paradoja EPR. Ya es una ley fundamental del universo que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. Entonces, si dos partículas están entrelazadas y se observa el espín de una, entonces la otra partícula debe colapsar simultáneamente sus superposiciones en un solo espín. Esto significa que la información del giro de una partícula viajó más rápido que la velocidad de la luz para colapsar las superposiciones de la otra partícula. Por lo tanto, creando la paradoja EPR. Como se mencionó anteriormente, los físicos modernos ya no interpretan el entrelazamiento cuántico como una acción espeluznante a distancia. Desde la década de 1930 hasta principios de la de 1960 se consideró que puede haber algunas variables ocultas que podrían determinar el estado de una partícula antes de su colapso por superposición. El físico irlandés John Bell ideó un experimento para probar la noción. Alain Aspect tardó hasta 2022 en probar el experimento de Bell con fotones entrelazados. El resultado del experimento refutó la noción de variables ocultas que podrían predecir un estado cuántico más allá de proporcionar una probabilidad de que ocurra. Por ahora, las descripciones de objetos cuánticos como leptones, fotones, mesones y hadrones siguen siendo funciones probabilísticas. Hay otra interpretación de la superposición cuántica que puede ayudar con las paradojas del entrelazamiento cuántico; es decir, una alternativa a imaginar objetos cuánticos como existiendo en superposiciones de estados hasta que colapsan en un solo estado. El físico Sean Carroll argumenta que la mejor manera de acabar con los objetos cuánticos que existen como funciones de probabilidad es que cada superposición cuántica en la función exista realmente al mismo tiempo después de la observación. Es decir, en lugar de que las superposiciones cuánticas colapsen en un estado, el observador (que está compuesto por partículas cuánticas) solo puede observar uno de esos estados. Todos los demás estados cuánticos del objeto cuántico observado continúan existiendo en diferentes mundos o realidades. Es decir, esta es solo la realidad donde la partícula observada es observada en este estado por este observador. Y cada una de las versiones multiversales del observador ve la partícula en un estado diferente dentro de sus propias realidades paralelas. Por lo tanto, las partículas entrelazadas a grandes distancias simplemente tienen estados aleatorios pero opuestos.

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Aplicaciones de entrelazamiento cuántico

Aunque las ecuaciones para el entrelazamiento cuántico y las superposiciones cuánticas solo pueden predecir estados a través de probabilidades, siguen siendo bastante exactas y precisas. Por lo tanto, las ecuaciones pueden tener algunas aplicaciones. Los siguientes son ejemplos de aplicaciones de entrelazamiento cuántico:

El entrelazamiento cuántico se puede utilizar para demostrar la seguridad de los protocolos de distribución de claves cuánticas (QKD) en criptografía.
El entrelazamiento se utiliza en la teletransportación cuántica y la codificación superdensa dentro de la computación cuántica.
El entrelazamiento cuántico puede tener usos en la tomografía por emisión de positrones o en las imágenes PET. Las imágenes PET crean muchos artefactos de imagen o ruido causado por fotones dispersos. Los científicos pueden determinar qué fotones aún están entrelazados y filtrar los fotones que se han dispersado y ya no están entrelazados, aclarando la imagen.

Ejemplos de entrelazamiento cuántico

Los siguientes son ejemplos de entrelazamiento cuántico:

Tanto un electrón como un positrón se originan a partir de un mesón pi en descomposición. Las dos partículas están entrelazadas porque sus espines deben sumar el espín del mesón pi. Observar el giro de una partícula revela el giro de la otra partícula.
Cuando un positrón y un electrón chocan, se aniquilan entre sí y liberan dos fotones en direcciones exactamente opuestas. Los fotones están entrelazados porque determinar la dirección en la que viaja un fotón revela la dirección en la que viaja el otro.

Resumen de la lección

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno físico que involucra objetos cuánticos o partículas que han interactuado físicamente, ocupan el mismo espacio o se originan de la misma fuente. Se dice que las partículas están entrelazadas porque al observar o medir el estado de una partícula, se determina el estado o estados de su contraparte entrelazada. El entrelazamiento cuántico como fenómeno existe debido a otro fenómeno llamado superposición cuántica. Los objetos cuánticos existen en superposiciones cuánticas o funciones de probabilidad que ascienden a partir de los estados superpuestos del objeto. Es decir, los objetos cuánticos existen en dos o más estados a la vez. Una vez que se realiza una medición, solo se observa uno de los estados. Las superposiciones se observan en experimentos como el experimento de la doble rendija, donde un fotón o un electrón pueden existir en dos posiciones a la vez. La paradoja EPR surge si las partículas entrelazadas se interpretan como conectadas a grandes distancias porque entonces los resultados de observar una partícula entrelazada viajarán instantáneamente años luz para determinar el estado de la otra partícula entrelazada. Esto es una paradoja porque nada viaja más rápido que la velocidad de la luz. En cambio, el entrelazamiento cuántico debe interpretarse de otras formas para eliminar la paradoja. Por ejemplo, el estado observado que resulta de la superposición de una partícula es aleatorio, y su contraparte entrelazada también es simplemente aleatoria, pero opuesta.

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Entrelazamiento cuántico: definición y ejemplos