La identidad de las partículas implica su entrelazamiento, que también se puede observar en forma pura sin interacción. Crédito: Instituto Henryk Niewodniczanski de Física Nuclear Academia Polaca de Ciencias

¿Cómo es posible entrelazar partículas independientes a distancia sin su interacción?

¿Qué es la interacción y cuándo ocurre? La intuición sugiere que la condición necesaria para la interacción de partículas creadas independientemente es su contacto directo o contacto a través de portadores de fuerza física. En mecánica cuántica, el resultado de la interacción es el entrelazamiento, la aparición de correlaciones no clásicas en el sistema. Parece que la teoría cuántica permite el entrelazamiento de partículas independientes sin ningún contacto. La identidad fundamental de las partículas del mismo tipo es responsable de este fenómeno.

La mecánica cuántica es actualmente la mejor y más precisa y sofisticada teoría utilizada por los físicos para describir el mundo que nos rodea. Sin embargo, su rasgo característico es el lenguaje matemático abstracto que conduce notoriamente a graves problemas de interpretación. La visión de la realidad propuesta por esta teoría sigue siendo un tema de disputa científica, que, en lugar de expirar con el tiempo, se está volviendo más candente e interesante. La nueva motivación y las preguntas intrigantes surgen de una nueva perspectiva resultante del punto de vista de la información cuántica y el enorme progreso de las técnicas experimentales. Esto permite la verificación de las conclusiones extraídas de sutiles experimentos de pensamiento directamente relacionados con el problema de la interpretación. Además, ahora estamos presenciando un enorme progreso en el campo de la comunicación cuántica y la tecnología informática cuántica, que se basa significativamente en los recursos no clásicos que ofrece la mecánica cuántica.

Los investigadores están tratando de responder a la pregunta en qué medida las intuiciones utilizadas para describir los procesos de mecánica cuántica se justifican en una visión realista del mundo. Para este propósito, intentan aclarar ideas teóricas específicas, que a menudo funcionan en forma de intuiciones vagas, utilizando el lenguaje de las matemáticas. Este enfoque a menudo resulta en la aparición de paradojas inspiradoras. Por supuesto, cuanto más básico sea el concepto con el que se relaciona una paradoja dada, mejor, porque abre nuevas puertas a una comprensión más profunda de un problema dado.

En este espíritu, los científicos decidieron reflexionar sobre la pregunta fundamental: ¿qué es la interacción y cuándo ocurre? En mecánica cuántica, el resultado de la interacción es el entrelazamiento, que es la aparición de correlaciones no clásicas en el sistema. Imagine dos partículas creadas independientemente en galaxias distantes. Parecería que una condición necesaria para la aparición de entrelazamientos es el requisito de que en algún momento de su evolución las partículas se toquen entre sí o, al menos, el contacto indirecto debe tener lugar a través de otra partícula o campo físico para transmitir la interacción. ¿De qué otra manera puede establecer este misterioso vínculo, que es el entrelazamiento cuántico? Paradójicamente, sin embargo, resulta que esto es posible. La mecánica cuántica permite que se entrelacen sin necesidad de ningún contacto, incluso indirecto.

Para justificar una conclusión tan sorprendente, se debe presentar un esquema en el que las partículas muestren correlaciones no locales a distancia (en un experimento de tipo Bell). La sutileza de este enfoque es excluir la posibilidad de una interacción entendida como alguna forma de contacto en el camino. Tal esquema también debería ser muy económico, por lo que debe excluir la presencia de portadores de fuerza que puedan mediar esta interacción (campo físico o partículas intermedias). Blasiak y Markiewicz mostraron cómo se puede hacer esto partiendo de las consideraciones originales de Yurke y Stoler, que reinterpretaron como una permutación de los caminos atravesados ​​por las partículas de diferentes fuentes. Esta nueva perspectiva permite generar cualquier estado entrelazado de dos y tres partículas, evitando cualquier contacto. El enfoque propuesto puede extenderse fácilmente a más partículas.

¿Cómo es posible entrelazar partículas independientes a distancia sin su interacción? La pista está dada por la mecánica cuántica, en la que se postula la identidad, la indistinguibilidad fundamental de todas las partículas del mismo tipo. Esto significa, por ejemplo, que todos los fotones (así como otras familias de partículas elementales) en todo el Universo son iguales, independientemente de su distancia. Desde una perspectiva formal, esto se reduce a la simetrización de la función de onda para bosones o su antisimetría para fermiones. Los efectos de la identidad de partículas generalmente se asocian con sus estadísticas que tienen consecuencias para una descripción de los sistemas interactivos de partículas múltiples (como el condensado de Bose-Einstein o la teoría de la banda de estado sólido). En el caso de sistemas más simples, el resultado directo de la identidad de partículas es el principio de exclusión de Pauli para fermiones o agrupamiento en óptica cuántica para bosones.

La característica común de todos estos efectos es el contacto de partículas en un punto en el espacio, que sigue la intuición simple de interacción (por ejemplo, en la teoría de partículas, esto se reduce a vértices de interacción). De ahí la creencia de que las consecuencias de la simetrización solo pueden observarse de esta manera. Sin embargo, la interacción por su propia naturaleza causa enredos. Por lo tanto, no está claro qué causa los efectos observados y las correlaciones no clásicas: ¿es una interacción en sí misma o es la indistinguibilidad inherente de las partículas? El esquema propuesto por ambos científicos evita esta dificultad, eliminando la interacción que podría ocurrir a través de cualquier contacto. De ahí la conclusión de que las correlaciones no clásicas son una consecuencia directa del postulado de la identidad de partículas. De ello se deduce que se encontró una forma de activar puramente el enredo desde su indistinguibilidad fundamental.

Este tipo de visión, a partir de preguntas sobre los conceptos básicos de la mecánica cuántica, se puede utilizar prácticamente para generar estados entrelazados para tecnologías cuánticas. El artículo muestra cómo crear cualquier estado enredado de dos y tres qubits, y estas ideas ya se implementan experimentalmente. Parece que los esquemas considerados pueden extenderse con éxito para crear estados de muchas partículas entrelazadas. Como parte de una investigación adicional, ambos científicos tienen la intención de analizar en detalle el postulado de partículas idénticas, tanto desde el punto de vista de la interpretación teórica como de las aplicaciones prácticas.

Una gran sorpresa puede ser el hecho de que el postulado de la indistinguibilidad de las partículas no es solo un procedimiento matemático formal, sino que en su forma pura conduce a las consecuencias observadas en los laboratorios. ¿Es la no localidad inherente a todas las partículas idénticas en el Universo? El fotón emitido por la pantalla del monitor y el fotón de la galaxia distante en las profundidades del Universo parecen estar enredados solo por su naturaleza idéntica. Este es un gran secreto que la ciencia pronto enfrentará.

Fuente: Polish Academy of Science

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