Superposición: el requisito previo
Para comprender el entrelazamiento, primero se necesita la superposición. En la mecánica cuántica, una partícula puede existir en una superposición de múltiples estados simultáneamente, no porque no sepamos en qué estado se encuentra, sino porque realmente se encuentra en todos los estados a la vez. El estado se describe mediante una función de onda ψ, que asigna amplitudes (y por tanto probabilidades) a todos los resultados posibles.
Cuando mides una partícula en superposición, la función de onda se derrumba a un único valor definido. Antes de la medición: todos los estados coexisten. Después de la medición: se alcanza un estado. Esto no es una metáfora: es la predicción cuantitativa de la mecánica cuántica que ha sido probada con una precisión extraordinaria (la coincidencia con el experimento supera las 10 cifras significativas).
Qué es realmente el entrelazamiento
El entrelazamiento cuántico ocurre cuando dos o más partículas se producen o interactúan de tal manera que sus estados cuánticos no pueden describirse independientemente uno del otro, sin importar qué tan lejos estén.
Matemáticamente, un sistema de dos partículas puede tener estados como:
Este es un Estado de campana - uno de los estados máximamente entrelazados más simples. Leyendolo: el sistema está en una superposición de "la partícula A está girando y B está girando" Y "A está girando y B está girando". Ninguna partícula tiene por sí sola un espín definido. El sistema en su conjunto se encuentra en un estado definido; sus partes no lo son.
Cuando se mide la partícula A y se encuentra el giro, el estado de la partícula B colapsa instantáneamente hasta el giro hacia abajo, independientemente de la separación espacial entre A y B. Esta correlación es perfecto y estadístico: cualquier número de mediciones lo confirma.
Imagínese crear un par de guantes y enviar uno a Londres y otro a Tokio sin mirarlos. Cuando abres la caja de Tokio y encuentras un guante izquierdo, inmediatamente sabes que Londres tiene el correcto. Esto parece como enredarse, pero no lo es: los guantes siempre tuvieron propiedades definidas. El entrelazamiento involucra partículas que realmente tienen no giro definitivo antes de la medición. El teorema de Bell (a continuación) demuestra esta distinción experimentalmente.
La paradoja EPR de Einstein (1935)
Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen publicaron su famoso artículo EPR en 1935, argumentando que la mecánica cuántica era incompleto. Su argumento, ahora llamado la paradoja del EPR:
- Si medir la partícula A determina instantáneamente el estado de la partícula B (más rápido de lo que la luz podría viajar entre ellas), entonces B debe haber tenido un estado definido todo el tiempo; simplemente no lo sabíamos.
- Estos valores definidos preexistentes son "variables ocultas" no descritas por la mecánica cuántica.
- Por tanto, la mecánica cuántica es una descripción incompleta de la realidad.
Einstein no afirmaba que la mecánica cuántica estuviera equivocada: reconocía que sus predicciones eran correctas. Él estaba afirmando que era incompleto: debe haber alguna teoría determinista más profunda con variables ocultas que expliquen las correlaciones sin requerir una acción instantánea a distancia ("acción espeluznante a distancia", su frase).
Durante 29 años, el argumento de la EPR fue un debate puramente filosófico, porque nadie sabía cómo distinguir experimentalmente entre "variables ocultas" y el verdadero entrelazamiento cuántico.
El teorema de Bell y el experimento decisivo
En 1964, el físico John Stewart Bell publicó un teorema matemático que lo cambió todo. Bell demostró que cualquier teoría de la variable oculta local debe satisfacer un conjunto de desigualdades estadísticas, ahora llamado Desigualdades de campana. Fundamentalmente, la mecánica cuántica predice violaciones de estas desigualdades hasta por un factor de √2 (el Tsirelson obligado).
La desigualdad CHSH (una forma de desigualdad de Bell) establece:
donde E(a,b) son coeficientes de correlación medidos en los ángulos ay b. La mecánica cuántica predice |S| ≤ 2√2 ≈ 2,828. Las variables ocultas locales predicen |S| ≤ 2. El valor experimental es consistentemente ~2,7, lo que viola la desigualdad de Bell y descarta variables ocultas locales.
La primera prueba seria de Bell fue realizada por John Clauser en 1972. Experimentos posteriores (Stuart Freedman y Clauser, luego, de manera crucial, el experimento de 1982 de Alain Aspect con polarizadores de conmutación rápida) cerraron progresivamente las lagunas hasta llegar a las pruebas de Bell "libres de lagunas" en 2015 por Hensen et al., Giustina et al., y Shalm et al., publicadas simultáneamente.
El Premio Nobel de Física 2022
El Premio Nobel de Física 2022 fue otorgado a Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger "para experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pionero en la ciencia de la información cuántica".
Este premio validó definitivamente que: (1) el entrelazamiento cuántico es un fenómeno físico real, (2) la naturaleza es no describible mediante teorías locales de variables ocultas, y (3) la intuición de Einstein acerca de que "no hay acción espeluznante a distancia" era incorrecta. El universo es genuinamente no local: existen resultados correlacionados entre partículas distantes sin ninguna causa local preexistente.
El grupo de Zeilinger en Viena fue más allá y demostró teletransportación cuántica (1997) - transmitir el estado cuántico completo de una partícula mediante entrelazamiento más comunicación clásica - y intercambio de entrelazamientos, donde las partículas que nunca interactuaron directamente se entrelazan.
¿El entrelazamiento permite una comunicación más rápida que la luz?
No. Este es el error más común sobre el enredo. He aquí por qué no puede transmitir información:
- Cuando mides tu partícula, obtienes una aleatorio resultado (50% de aceleración, 50% de desaceleración). No puedes elegir ni controlar el resultado.
- Su compañero en un lugar distante también obtiene un resultado aleatorio. Ven una secuencia perfectamente aleatoria, indistinguible del ruido.
- Sólo cuando tu compara tus resultados (por teléfono, correo electrónico: comunicación clásica, limitada a c) descubre la correlación perfecta.
- Por lo tanto, el colapso en sí no transmite ninguna información; la transferencia de información requiere una comparación clásica.
Esto se formaliza como el teorema de no comunicación: las operaciones cuánticas en el subsistema de una parte no pueden cambiar la matriz de densidad reducida de la otra, por lo tanto, no hay transferencia de información.
Las correlaciones no locales de entrelazamiento no violan la relatividad especial. Ninguna información, energía o materia se transmite más rápido que la luz. Las correlaciones son una característica global del estado cuántico, no una señal.
Aplicaciones del mundo real
Criptografía cuántica (QKD)
Los protocolos de distribución de claves cuánticas como BB84 y E91 utilizan entrelazamiento (o fotones individuales) para distribuir claves de cifrado con seguridad demostrable. Cualquier espía perturba los estados cuánticos, introduciendo errores detectables. La primera transferencia bancaria garantizada por QKD se demostró en Viena en 2004.
Computación cuántica
El entrelazamiento permite a las computadoras cuánticas procesar exponencialmente muchos estados simultáneamente. Un registro de n qubits entrelazados puede representar 2ⁿ estados a la vez. Algoritmos como el de Shor (factorización) y el de Grover (búsqueda) aprovechan esto para aceleraciones exponenciales y cuadráticas, respectivamente, en comparación con los algoritmos clásicos.
Teletransportación cuántica
Transmitir un estado cuántico completo de un lugar a otro utilizando un par entrelazado compartido más dos bits clásicos. Esto no importa, solo información cuántica. Demostrado a más de 1.400 km vía satélite en 2017 por el grupo de Pan Jian-Wei (satélite Micius).
Metrología Cuántica
Los estados entrelazados pueden medir cantidades físicas (tiempo, campos gravitacionales) con una precisión inferior al "límite cuántico estándar", lo que permite relojes atómicos y detectores de ondas gravitacionales de próxima generación.
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Preguntas frecuentes
¿Qué es el entrelazamiento cuántico en términos simples?
Dos partículas están entrelazadas cuánticamente cuando comparten un estado cuántico combinado: medir una determina instantáneamente el resultado correlacionado de la otra, sin importar qué tan lejos estén. Ninguna partícula tiene un estado definido antes de la medición.
¿A qué distancia pueden estar las partículas entrelazadas?
El entrelazamiento cuántico no tiene un límite de distancia conocido. El entrelazamiento se ha demostrado a lo largo de 1.400 km mediante el satélite Micius (2017). Las correlaciones siguen siendo perfectas independientemente de la separación, sin que se debilite detectablemente con la distancia.
¿Se utiliza el entrelazamiento cuántico en las computadoras cuánticas?
Sí. El entrelazamiento entre qubits es uno de los recursos clave que da poder a las computadoras cuánticas. Sin entrelazamiento, una computadora cuántica no superaría a una clásica; en la práctica, simplemente modelaría probabilidades clásicas.
¿El entrelazamiento viola la velocidad de la luz?
No. Las correlaciones aparecen instantáneamente, pero no se transmite ninguna información. El teorema de la no comunicación demuestra que no se puede utilizar el entrelazamiento para enviar un mensaje más rápido que la luz.