Un experimento demuestra la acci¨®n fantasmal cu¨¢ntica con c¨²bits superconductores separados 30 metros

El f¨ªsico James Trefil dec¨ªa que la mec¨¢nica cu¨¢ntica es una ¡°regi¨®n del universo donde el cerebro humano, simplemente, no puede sentirse c¨®modo¡±. Y esta incomodidad viene dada porque la naturaleza, a escala microsc¨®pica, responde a leyes que desaf¨ªan nuestra comprensi¨®n de la realidad macrosc¨®pica. Entre estos comportamientos est¨¢n la superposici¨®n (una part¨ªcula puede estar en diferentes estados a la vez, como el gato vivo y muerto de Erwin Schr?dinger) y el entrelazamiento a distancia o acci¨®n fantasmal, como describi¨® Albert Einstein el principio que permite que las part¨ªculas separadas y alejadas respondan de forma instant¨¢nea y se comporten como un solo sistema. Un espectacular experimento que desaf¨ªa la velocidad de la luz, publicado este mi¨¦rcoles en Nature por un equipo internacional de cient¨ªficos, liderado por el ETH (Instituto Federal Suizo de Tecnolog¨ªa) en Z¨²rich, con colaboraci¨®n de las entidades espa?olas ICFO (Instituto de Ciencias Fot¨®nicas) y Quside, demuestra por primera vez esta acci¨®n fantasmal en electrones separados 30 metros y con circuitos superconductores, los sistemas m¨¢s habituales en computaci¨®n cu¨¢ntica.

Este experimento vuelve a contradecir a Einstein, quien consider¨® imposible el entrelazamiento cu¨¢ntico. El f¨ªsico defendi¨® que cada part¨ªcula tiene unas propiedades determinadas en su entorno, que una acci¨®n sobre la misma se genera en un lugar determinado y sus consecuencias se transfieren (localismo). Frente a esta teor¨ªa, la f¨ªsica cu¨¢ntica ha demostrado que dos part¨ªculas entrelazadas comparten un solo estado unificado, aunque, como en el caso del experimento en Z¨²rich, est¨¦n separadas 30 metros.

Para Einstein, era completamente inaceptable que algo que se hace en un lugar determinado tenga efecto instant¨¢neo en otro sitio. Pero John Bell demostr¨® en 1964 que s¨ª sucede, que existe el entrelazamiento cu¨¢ntico. Desde entonces, se han sucedido los experimentos sobre esta propiedad y los hallazgos en este campo de John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger les valieron el premio Nobel en 2022.

Uno de los mayores logros del experimento publicado este mi¨¦rcoles es que se ha ejecutado una prueba del teorema (o desigualdades) de Bell sin loopholes, un t¨¦rmino ingl¨¦s que en f¨ªsica cu¨¢ntica se traduce como escapatorias. Esta ausencia de escapatorias se refiere a que todo sucede exactamente como predice la f¨ªsica cu¨¢ntica, que no ha sido posible una comunicaci¨®n entre part¨ªculas ni responde a una mera estad¨ªstica.

Un experimento en el que particip¨® el f¨ªsico espa?ol Ad¨¢n Cabello, de la Universidad de Sevilla, consigui¨® resultados en esta l¨ªnea con iones de iterbio y bario (Science Advances) hace un a?o. Pero la reciente investigaci¨®n eleva la complejidad al usar dos c¨²bits superconductores entrelazados a temperaturas cercanas al cero absoluto (?273,15 ¡ãC) y separados 30 metros.

Desafiando la velocidad de la luz

Las mediciones simult¨¢neas de los dos c¨²bits arrojaron resultados coincidentes sobre el estado, una respuesta sincronizada consistente con una acci¨®n fantasmal a distancia o entrelazamiento. Para demostrar la ausencia de escapatorias, que la coordinaci¨®n de estados no se deb¨ªa a se?ales enviadas entre los c¨²bits, se realizaron mediciones aleatorias en 17 nanosegundos, el tiempo que tarda la luz en recorrer cinco metros. La medici¨®n completa requer¨ªa otros 62 nanosegundos (el tiempo de la luz en alcanzar 21 metros). Al estar los dos sistemas alejados 30 metros, era imposible la comunicaci¨®n entre ellos.

La investigaci¨®n es clave no solo porque es una demostraci¨®n de la f¨ªsica cu¨¢ntica, sino porque tiene aplicaciones pr¨¢cticas. Morgan W. Mitchell, profesor de la Instituci¨®n Catalana de Investigaci¨®n y Estudios Avanzados (ICREA) en ICFO y coautor del estudio, explica que, ¡°con los ordenadores cl¨¢sicos, es com¨²n que haya computaci¨®n en la web y que los resultados lleguen al dispositivo de tu casa¡±. ¡°Para hacer algo equivalente con ordenadores cu¨¢nticos¡±, a?ade, ¡°necesitamos comunicarlos y no ser¨¢ por bits cl¨¢sicos. Tiene que ser por bits cu¨¢nticos y este entrelazamiento es la manera m¨¢s eficaz de hacerlo¡±.

¡°Esta investigaci¨®n demuestra que este tipo de experimentos se puede hacer con superconductores, los sistemas que utiliza Google o IBM. Otros sistemas que se han usado eran con un par de part¨ªculas. Pero este experimento ha creado un entrelazamiento entre un gran n¨²mero de electrones en este sitio y un gran n¨²mero de electrones en otro sitio. Es la primera vez que se consigue esto sin escapatorias¡±.

Aplicaciones

Los resultados permiten, seg¨²n Mitchell, ¡°avanzar en la computaci¨®n distribuida, con varios ordenadores en varios sitios¡±. ¡°Es un objetivo a largo plazo que no vamos a ver inmediatamente, pero este experimento demuestra que es factible¡±, concluye.

Carlos Abell¨¢n, coautor de la investigaci¨®n, doctor en fot¨®nica por el ICFO y cofundador y director ejecutivo de Quside (una empresa de componentes cu¨¢nticos que se han usado en el experimento), destaca que, adem¨¢s del salto cualitativo en la demostraci¨®n experimental al elevar los sistemas a c¨²bits superconductores, el trabajo ha supuesto ¡°crear una tecnolog¨ªa espectacular y ¨²nica que ha conseguido demostrar la sincronizaci¨®n de dos part¨ªculas con una rapidez sin precedentes.¡±

El experimento ha necesitado de la generaci¨®n de n¨²meros aleatorios cu¨¢nticos (QRNG) y su ¡°extracci¨®n¡± a una velocidad extraordinariamente r¨¢pida (17 nanosegundos) para descartar cualquier posibilidad de comunicaci¨®n entre los c¨²bits. ¡°Tuvimos que desarrollar una ingenier¨ªa totalmente nueva para poder generar los n¨²meros aleatorios de tal manera que pudi¨¦ramos hacerlo antes de que la informaci¨®n llegara al otro lado. Necesit¨¢bamos doblar la velocidad de los sistemas utilizados antes¡±, explica Abell¨¢n.

¡°Lo que hicimos fue, en vez de utilizar un dispositivo y hacer c¨¢lculos, poner ocho dispositivos en paralelo sincronizados y combinamos la se?al. De esta manera, usamos 16 generadores de n¨²meros aleatorios y conseguimos doblar la velocidad. Si hubi¨¦ramos tardado 19 nanosegundos en vez de 17, el experimento no hubiera tenido validez¡±, a?ade.

El experimento prueba que la informaci¨®n cu¨¢ntica puede transmitirse entre circuitos superconductores separados y alojados en sistemas criog¨¦nicos, es decir, que se demuestra que sucede y en sistemas ya disponibles para computaci¨®n cu¨¢ntica. Pero a¨²n queda por explicar por qu¨¦ ocurre, por qu¨¦ dos sistemas separados se comportan como si fueran uno. ¡°Es una cuesti¨®n para la filosof¨ªa, muy dif¨ªcil. Puedes preguntar a 10 f¨ªsicos distintos y vas a tener 10 respuestas diferentes. Es un misterio que tendr¨¢n que resolver otras generaciones. Pero lo que podemos decir con estos experimentos es que realmente existe¡±, afirma Mitchell.

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