Los científicos emiten fotones al espacio para probar la teoría cuántica

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Los investigadores han llevado un famoso experimento de física cuántica a nuevas alturas enviando luz, en forma de fotones, al espacio y a la espalda, demostrando la naturaleza de luz de doble partícula de la luz en distancias mucho mayores de las que los científicos pueden alcanzar en la Tierra.

En la teoría cuántica de la realidad, las partículas como los electrones y los fotones también se comportan como ondas, dependiendo de cómo los miden los científicos. Los físicos llaman a este fenómeno dualidad onda-partícula, y conduce a muchos efectos contraintuitivos, como partículas individuales que viajan a lo largo de dos caminos simultáneamente.

En 1803, mucho antes de la concepción de la teoría cuántica, el físico Thomas Young realizó un famoso experimento para demostrar que la luz se comporta como una ola. Young envió la luz del sol a través de dos rendijas hacia una tarjeta de papel en blanco. Cuando observó la luz en la tarjeta, reveló un patrón de bandas brillantes y oscuras que se desvaneció hacia el borde. En lugar de atravesar una rendija u otra, la luz se había comportado como una ola, pasando por ambas hendiduras e interactuando consigo misma para formar un patrón, como ondas en un estanque.

El equipo italiano usó este instrumento, llamado interferómetro, para dividir y recombinar la luz. Aquí se ve con un rayo láser de alineación.

            Credit: QuantumFuture Research Group / Universidad de Padua – DEI

En el siglo XX, los científicos colocaron detectores en esas hendiduras para determinar qué camino tomaba realmente la luz. Cuando lo hicieron, siempre detectaron el fotón en una rendija o en la otra. Además, la película desarrolló dos bandas brillantes opuestas a las brechas en lugar de las ondas: los fotones atravesaban una rendija o la otra en lugar de interactuar como una ola. Es casi como si la luz supiera cómo los científicos querían que se comportara.

Los científicos estaban desconcertados sobre cómo la luz determinaba qué hacer y, más importante aún, cuándo "decidía" comportarse como una partícula o una ola. ¿La luz se compromete con un comportamiento al comienzo de un experimento, cuando se produce? al final, cuando se detecta; o algún tiempo en el medio?

A fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, el físico teórico John Wheeler propuso algunas pruebas para responder a esta pregunta. Algunos de estos implicaron cambiar la configuración experimental después de que la luz ya había ingresado al aparato. Esto se retrasaría cuando la luz pueda elegir su comportamiento hasta casi el final de la prueba. Fue uno de los experimentos de elección tardía de Wheeler que el equipo de la Universidad de Padova, en Italia, realizó y detalló el 25 de octubre en la revista Science Advances.

El experimento de Wheeler ya se había hecho antes, pero no a esta escala. El uso de un reflector en un satélite en órbita permitió al equipo probar las predicciones de la teoría cuántica en distancias mayores que nunca antes.

"La ley de la mecánica cuántica … debería ser válida para cualquier distancia, ¿verdad?" Giuseppe Vallone, investigador de la Universidad de Padova y coautor del estudio, le dijo a Space.com. "Pero, por supuesto, si no lo probamos, no podemos estar seguros".

Prueba de física cuántica en el espacio

El aparato experimental en la Tierra envió un fotón a la vez. Esa luz luego se dividió en dos ondas por un dispositivo llamado divisor de haz. El equipo envió un haz en un camino un poco más largo, por lo que terminó un poco por detrás de su contraparte, explicó Vallone.

La clave fue que los científicos dividieron la luz de tal manera que la onda anterior tenía polarización horizontal y la última tenía polarización vertical. En otras palabras, las olas se orientaron en dos direcciones diferentes.

Luego, los rayos de luz fueron preparados y listos para ser enviados al espacio. El equipo de Vallone dirigió la luz hacia un satélite, donde un reflector lo envió de vuelta hacia el aparato en Italia. En ese punto, dos ondas de luz se dirigían hacia la Tierra, una ligeramente por delante de la otra.

 Un rayo de luz (arriba a la izquierda) se divide en dos y se dirige por caminos separados. Si los caminos se recombinan, las dos ondas crean un patrón de interferencia. Si no, se detecta una partícula a lo largo de una sola ruta. El experimento real llevado a cabo por los investigadores italianos comenzó y terminó en la Tierra, viajando a un satélite en órbita en el camino.

Un haz de luz (arriba a la izquierda) se divide en dos y se dirige por caminos separados. Si los caminos se recombinan, las dos ondas crean un patrón de interferencia. Si no, se detecta una partícula a lo largo de una sola ruta. El experimento real llevado a cabo por los investigadores italianos comenzó y terminó en la Tierra, viajando a un satélite en órbita en el camino.

            Crédito: Vedovato et al., Sci. Adv. 2017; 3: e1701180

Aquí es cuando aparece la parte de "elección retardada" del experimento. Después de que se reflejó la luz, una computadora envió una señal aleatoria a un cristal líquido. Dependiendo de la señal, el dispositivo intercambió las polarizaciones de ambos haces de luz o las dejó igual. En ese punto, la luz pasó a través del divisor de haz nuevamente. Si las polarizaciones no se modificaron, el divisor simplemente recombinó la luz, haciéndola actuar como una sola ola. Si las polarizaciones se intercambiaban, las separaba aún más, creando un retraso distintivo entre los dos pulsos para que la luz actuara como una partícula individual.

El cambio se decidió solo después de que la luz regresara a la Tierra, más de la mitad de su recorrido de ida y vuelta de 10 milisegundos. Esto significaba que no había forma de que la luz "supiera" lo que los científicos esperaban hasta el final, cuando golpeó el detector. Si el grupo de Vallone todavía viera los mismos comportamientos, un patrón de interferencia cuando la luz se recombinó, y destellos individuales cuando no lo era, sabrían que la luz había sido simultáneamente una partícula y una onda, hasta que su dispositivo lo eligió o el otro al final.

Y eso es exactamente lo que sucedió. La luz se dividió en dos haces, como una onda y, al mismo tiempo, permanecieron juntas como un solo fotón, hasta el final, cuando el dispositivo de cristal líquido lo obligó a comportarse como uno u otro derecho antes de golpear el detector. Las predicciones de la teoría cuántica fueron vindicadas, dijo Vallone, y la naturaleza surrealista de la mecánica cuántica fue reafirmada.

Aunque el trabajo del equipo italiano se centró en confirmar experimentos previos, la prueba aún valía la pena, según Thomas Jennewein, un físico cuántico de la Universidad de Waterloo, en Ontario, que no está afiliado con el artículo. El experimento que realizó el equipo de Vallone está más cerca de la propuesta original de Wheeler, Jennewein le dijo a Space.com, que se basó en la distancia que recorrió la luz para mantenerla separada durante mucho tiempo.

"Está en el espacio, y está muy lejos, así que nos estamos acercando al esquema original", dijo Jennewein.

El experimento de pensamiento original de Wheeler imaginó esta prueba conducida en la luz de una galaxia distante, doblada hacia la Tierra a lo largo de dos caminos posibles por un objeto masivo en el medio. En esta situación, un solo fotón podría haber viajado a lo largo de ambos caminos al mismo tiempo, solo se ha visto obligado a elegir su comportamiento millones o miles de millones de años después de comenzar su viaje. El grupo de Vallone no replicó este aspecto del experimento, pero pudieron mantener la luz en su extraño doble estado, llamado superposición, durante 10 milisegundos, una cantidad de tiempo impresionantemente larga en comparación con lo que se demostró en pruebas anteriores, de acuerdo con a Jennewein.

                    
            

Entonces, ¿qué significa?

Los resultados del experimento de Wheeler pueden ser inquietantes para quienes les gusta creer en una realidad física definitiva. Los nuevos hallazgos sugieren que el comportamiento de los objetos en el universo está fundamentalmente indeterminado hasta que algo los obliga a comportarse de cierta manera. Las partículas se propagan como ondas, las ondas se fusionan en partículas y nada puede predecirse con certeza, solo una probabilidad.

Los físicos a menudo dejan de lado estos escrúpulos para enfocarse en su trabajo. Hay un dicho, "Cállate y calcula", dijo Jennewein, quien lo atribuyó al profesor de la Universidad de Cornell, David Mermin. La idea es que los científicos deberían trabajar en descubrir las matemáticas detrás de cómo funciona la teoría cuántica en lugar de intentar comprender sus implicaciones.

Ni Jennewein ni Vallone se adhieren por completo a este mantra. "Las personas pasan vidas, casi, tratando de entender sus dudas", dijo Jennewein.

"Mi creencia personal es que simplemente no podemos mantener nuestra visión clásica cuando observamos las partículas cuánticas", agregó. "Es un tipo de concepto nuevo para nosotros que no tiene representación en nuestra vida cotidiana". Y nuestra vida diaria es de donde derivamos nuestras intuiciones, señaló.

Vallone aborda el concepto de manera similar. "Cuando pensamos en un fotón como una partícula, como una pequeña bola, nos [making a] error. Cuando pensamos en un fotón como una onda de agua, somos [also making] un error", dijo. "El fotón, en algunos casos, parece comportarse como una onda o parece comportarse como una partícula. Pero en realidad, no es ninguna de las dos cosas".

 El equipo de Vallone usó el Observatorio de Alcance Láser Matera de la Agencia Espacial Italiana en Matera, Italia para enviar su haz de luz hacia el cielo.

El equipo de Vallone usó el Observatorio de medición láser Matera de la Agencia Espacial Italiana en Matera, Italia, para enviar su haz de luz hacia el cielo.

            Credit: QuantumFuture Research Group / Universidad de Padua – DEI

Más física cuántica en el espacio

El experimento realizado por el equipo de Vallone se une a una nueva tendencia de investigación cuántica basada en el espacio. En agosto de 2016, China lanzó el primer satélite diseñado específicamente para probar la teoría cuántica y sus aplicaciones en la computación cuántica. Un equipo en Shanghai usó el satélite para establecer un récord para el teletransporte cuántico más lejano, enviando el estado de un fotón a aproximadamente 1,000 a 1,500 millas (1,600 a 2,400 kilómetros) de distancia.

Estas hazañas pueden encontrar aplicaciones en la informática, según Vallone. Los objetos cuánticos pueden estar en dos estados a la vez, como la luz en el experimento de Vallone, por lo que las computadoras quatum pueden codificar más información que las electrónicas tradicionales, dijo. Además, debido a que los estados cuánticos cambian cuando se observan, prometen una mayor seguridad que la comunicación convencional porque se puede decir que alguien ha intentado espiar.

Jennewein prevé más experimentos como el que llevó a cabo el grupo de Vallone. Los experimentos basados ​​en el espacio permiten a los investigadores explorar los límites de la mecánica cuántica. "Este experimento es un primer paso hacia él", dijo, y "Espero ver pruebas de física cuántica más fundamentales en el espacio".

Envíe un correo electrónico a Harrison Tasoff a htasoff@space.com o síguelo @harrisontasoff. Síganos @Spacedotcom, Facebook y Google+. Artículo original en Space.com.

        

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