¿Cómo de rápido es el entrelazamiento cuántico?
La aparición del entrelazamiento cuántico es uno de los procesos más rápidos de la naturaleza. Científicos demuestran que, utilizando trucos especiales, esto se puede investigar a escala de attosegundos.
Por Enrique Coperías
Un átomo es golpeado por un pulso láser. Un electrón es arrancado del átomo, otro electrón es desplazado a un estado con mayor energía. Crédito: TU Wien
La teoría cuántica describe acontecimientos que tienen lugar en escalas de tiempo extremadamente cortas. En el pasado, estos acontecimientos se consideraban momentáneos o instantáneos: un electrón orbita alrededor del núcleo de un átomo y al instante siguiente es arrancado por un destello de luz. Dos partículas colisionan, y al instante siguiente se entrelazan cuánticamente.
Hoy, sin embargo, es posible investigar el desarrollo temporal de estos efectos casi instantáneos. En colaboración con equipos de investigación de China, la Universidad Técnica de Viena (Austria) ha desarrollado simulaciones por ordenador de procesos ultrarrápidos. Esto permite averiguar cómo surge el entrelazamiento cuántico en una escala temporal de attosegundos. Los resultados se han publicado en la revista Physical Review Letters.
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno fundamental en la mecánica cuántica donde dos o más partículas se encuentran en un estado cuántico conjunto, de tal manera que el estado de una partícula está intrínsecamente ligado al estado de otra, sin importar la distancia que las separe. Esto significa que si se mide una de las partículas, el estado de la otra se determina instantáneamente, independientemente de la distancia entre ellas.
Las partículas no tienen propiedades individuales
Si dos partículas están entrelazadas cuánticamente, no tiene sentido describirlas por separado. Aunque se conozca perfectamente el estado de este sistema de dos partículas, no se puede hacer una afirmación clara sobre el estado de una sola partícula.
«Se podría decir que las partículas no tienen propiedades individuales, solo tienen propiedades comunes. Desde un punto de vista matemático, están firmemente unidas, aunque se encuentren en dos lugares completamente distintos», explica el profesor Joachim Burgdörfer, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena, en una nota de prensa de esta institución.
En los experimentos con partículas cuánticas entrelazadas, los científicos suelen estar interesados en mantener este entrelazamiento cuántico el mayor tiempo posible, por ejemplo, si quieren utilizar el entrelazamiento cuántico para la criptografía cuántica o los ordenadores cuánticos.
«A nosotros, en cambio, nos interesa otra cosa: averiguar cómo se desarrolla este entrelazamiento en primer lugar y qué efectos físicos intervienen en escalas de tiempo extremadamente cortas», explica la profesora Iva Březinová, una de las autoras del estudio.
Un electrón se aleja, otro se queda en el átomo
Los investigadores observaron átomos alcanzados por un pulso láser extremadamente intenso y de alta frecuencia. Un electrón es arrancado del átomo y sale volando. Si la radiación es lo suficientemente intensa, es posible que un segundo electrón del átomo también se vea afectado: puede pasar a un estado de mayor energía y orbitar el núcleo atómico siguiendo una trayectoria diferente.
Así, tras el pulso láser, un electrón sale volando y otro permanece en el átomo con una energía desconocida. «Podemos demostrar que estos dos electrones están entrelazados cuánticamente —explica Burgdörfer. Y añade—: Solo se pueden analizar juntos, y se puede realizar una medición en uno de los electrones y aprender algo sobre el otro electrón al mismo tiempo».
El equipo de investigación ha podido demostrar, utilizando un protocolo de medición adecuado que combina dos rayos láser diferentes, que es posible lograr una situación en la que el tiempo de nacimiento del electrón que se aleja, es decir, el momento en que abandonó el átomo, está relacionado con el estado del electrón que queda atrás. Estas dos propiedades están entrelazadas cuánticamente.
Ilustración de un par de quarks top entrelazados cuánticamente. Cortesía: CERN
El electrón en sí mismo no sabe cuándo «nació»
«Esto significa que, en principio, no se conoce la hora de nacimiento del electrón que sale volando. Se podría decir que el propio electrón no sabe cuándo salió del átomo —afirma Burgdörfer. Y continúa—: Se encuentra en una superposición cuántico-física de diferentes estados. Ha abandonado el átomo tanto en un momento anterior como en uno posterior».
La respuesta real a esta pregunta simplemente no existe en la física cuántica. Pero la respuesta está ligada desde el punto de vista de la física cuántica al estado —también indeterminado— del electrón que permanece en el átomo: si el electrón remanente se encuentra en un estado de mayor energía, entonces es más probable que el electrón que salió volando fuera arrancado en un momento temprano. Y si el electrón remanente se encuentra en un estado de menor energía, entonces es probable que el momento de nacimiento del electrón libre que salió volando fuera más tardío: una media de unos 232 attosegundos.
Se trata de un periodo de tiempo casi inimaginablemente corto: un attosegundo es una unidad de tiempo equivalente a la trillonésima parte de un segundo. «Sin embargo, estas diferencias no solo pueden calcularse, sino también medirse en experimentos —dice Burgdörfer—. Ya estamos en conversaciones con equipos de investigación que quieren probar estos entrelazamientos ultrarrápidos».
El trabajo demuestra que no basta con considerar instantáneos los efectos cuánticos: las correlaciones importantes únicamente se hacen visibles cuando se consiguen resolver las escalas temporales ultracortas de estos efectos. «El electrón no salta del átomo. Es una onda que sale del átomo, por así decirlo, y eso lleva un cierto tiempo —explica Březinová. Y concluye—: Es precisamente durante esta fase cuando se produce el entrelazamiento, cuyo efecto puede medirse después con precisión observando los dos electrones». ▪️
Información facilitada por la Universidad Técnica de Viena
Fuente: Wei-Chao Jiang, Ming-Chen Zhong, Yong-Kang Fang, Stefan Donsa, Iva Březinová, Liang-You Peng, and Joachim Burgdörfer. Time Delays as Attosecond Probe of Interelectronic Coherence and Entanglement. Physical Review Letters (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.163201
