MEDIDAS CUÁNTICAS: EL SENTIDO COMÚN NO BASTA

Al contrario que la física clásica, la física cuántica predice que las propiedades de un sistema cuántico dependen del contexto en que se midan, es decir, de qué otras medidas se hagan. Un equipo internacional de físicos ha llevado a cabo en Innsbruck un experimento propuesto por el catedrático de la Universidad de Sevilla Adán Cabello en el que se demuestra por primera vez que es imposible explicar los fenómenos cuánticos en términos no-contextuales. El hallazgo se recoge esta semana en la prestigiosa revista Nature. Un experimento demuestra que el universo es ‘contextual’.

US / A.I.

La mecánica cuántica describe el estado físico de la luz y la materia, y formula conceptos que chocan con la imagen clásica que tenemos de la naturaleza. Por eso los físicos han intentado explicar los fenómenos no-causales de la mecánica cuántica mediante modelos clásicos con variables ocultas, para así excluir la aleatoriedad omnipresente en la teoría cuántica. En 1967, los matemáticos Simon Kochen y Ernst Specker demostraron que para explicar los fenómenos cuánticos con variables ocultas las medidas tenían que ser contextuales. Esto quiere decir que el resultado de una medida tiene que depender de qué otras medidas se hagan simultáneamente. Lo interesante es que las medidas simultáneas son aquí medidas compatibles que no se perturban entre sí.

Interior de una trampa de iones / Foto: IQOQI

El físico de la Universidad de Sevilla Adán Cabello propuso el año pasado en la revista Physical Review Letters un experimento para observar este fenómeno. El experimento, en el que también ha participado este físico de la Universidad de Sevilla, se ha realizado en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Universidad de Innsbruck bajo la dirección de Christian Roos y Rainer Blatt. En una serie de mediciones sobre un sistema cuántico formado por dos iones, los físicos han demostrado que las medidas de determinadas propiedades dependen de qué otras propiedades compatibles se midan sobre el sistema.

Ventaja tecnológica

El experimento ha sido realizado por dos estudiantes de doctorado austriacos, Gerhard Kirchmair y Florian Zähringer, y por un estudiante post-doctoral holandés, René Gerritsma, y ha contado con el apoyo teórico de dos investigadores alemanes, Otfried Gühne y Matthias Kleinmann, y el catedrático de la Universidad de Sevilla Adán Cabello. Los científicos han atrapado una pareja de iones de calcio enfriados por láser en una trampa electromagnética y han realizado sobre ellos una serie de medidas. “Para este experimento hemos usado técnicas que fueron diseñadas para construir un ordenador cuántico. Hemos concatenado hasta seis puertas lógicas cuánticas”, comenta Christian Roos. “Durante más de cuarenta años nadie ha sabido cómo hacer este experimento, se pensaba incluso que era imposible. La suerte ha sido descubrir cómo hacerlo justo en el momento en el que tecnológicamente era posible hacerlo”, explica Adán Cabello.

Hasta el año pasado no se habían logrado hacer puertas lógicas casi libres de errores. Precisamente fue el grupo de Rainer Blatt en Innsbruck el primero en lograr puertas lógicas con fidelidades del 99%. Con esta ventaja tecnológica los científicos han logrado ahora la primera prueba exhaustiva de que los fenómenos observados experimentalmente no pueden describirse mediante modelos de variables ocultas no-contextuales. El resultado es independiente del estado cuántico – se ha comprobado en diez estados diferentes.

Aleatoriedad cuántica

Ya en 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen cuestionaban que la mecánica cuántica fuese una teoría completa puesto que no era una teoría física “realista” – crítica que se conoce en el mundo científico como la paradoja EPR. A mediados de los 60, John Bell demostró que la mecánica cuántica no puede ser al mismo tiempo una teoría realista y local, lo cual ha sido, desde entonces, corroborado en numerosas experimentos. El teorema de Kochen y Specker excluye los modelos realistas no-contextuales pero, hasta ahora, nadie había logrado una demostración experimental convincente.

Imagen de dos iones en el interior de una trampa electromagnética / Foto: IQOQI

Siguiendo la propuesta de Adán Cabello, el grupo de Innsbruck ha logrado demostrar experimentalmente la imposibilidad de modelos realistas no-contextuales. Los físicos han tenido el apoyo de la Junta de Andalucía, el Ministerio de Ciencia e Innovación, la Austrian Science Fund (FWF), la Unión Europea y la Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) de los Estados Unidos.

Publicación:

State-independent experimental test of quantum contextuality. G. Kirchmair, F. Zähringer, R. Gerritsma, M. Kleinmann, O. Gühne, A. Cabello, R. Blatt, y C. F. Roos, Nature 23 de julio 2009 (DOI: 10.1038/nature08172).

Más información:

Prof. Adán Cabello
Departamento de Física Aplicada II
Universidad de Sevilla
Teléfono: 954 55 66 71
Móvil: 636 3210 47
E-mail: adan@us.es 
http://www.adancabello.com

Dr. Christian Roos
Institute for Quantum Optics and Quantum Information
Austrian Academy of Sciences
Otto-Hittmair-Platz 1, 6020 Innsbruck, Austria
Phone: +43 512 507-4728
E-mail: Christian.Roos@uibk.ac.at
http://www.quantumoptics.at