MW: Diamantes entrelazados que vibran juntos

Artículo publicado por Phillip Ball el 1 de diciembre de 2011 en Nature News

Objetos lo bastante grandes como para observarse a simple vista se han colocado en un estado cuántico extrañamente conectado.

Un par de cristales de diamante se han unido mediante entrelazamiento cuántico. Esto significa que una vibración en los cristales no podría asignarse de forma significativa a uno u otro: ambos cristales estaban a la vez vibrando y no vibrando.

El entrelazamiento cuántico – la interdependencia de estados cuánticos entre partículas que no están en contacto físico – está bien establecida para partículas cuánticas, tales como átomos a temperaturas ultra-frías. Pero, como la mayoría de efectos cuánticos, no suele sobrevivir a temperatura ambiente o en objetos lo bastante grandes para observarse a simple vista.

Diamonds © by Kim-bodia

Un equipo liderado por Ian Walmsley, físico de la Universidad de Oxford, en el Reino Unido, encontró una forma de superar ambas limitaciones, demostrando que las extrañas consecuencias de la teoría cuántica se aplican igual en la gran escala que en la pequeña. El trabajo se publica en Science¹.

Los resultados son “inteligentes y convincentes”, dice Andrew Cleland, especialista en el comportamiento cuántico de objetos de escala nanométrica de la Universidad de California en Santa Bárbara.

Una red entrelazada

El entrelazamiento tiene lugar cuando dos partículas cuánticas interactúan entre sí de forma que sus estados cuánticos son interdependientes. Si la primera partícula está en estado A, digamos, entonces la otra debe estar en estado B, y viceversa.

Hasta que no se haga la medida sobre una de las partículas, su estado no queda determinado: puede considerarse como en estado A y B a la vez, conocido como superposición. El acto de medir ‘colapsa’ esta superposición en sólo uno de los estados posibles.

Pero si las partículas están entrelazadas, entonces esta medida también determina el estado de la otra partícula – incluso si están separadas una gran distancia. El efecto de la medida se transmite instantáneamente a la otra partícula, a través de lo que Einstein llamaba escépticamente ‘acción fantasmal a distancia’.

A pesar de lo extraño que es, el entrelazamiento cuántico es real – y podría resultar útil. En una técnica llamada criptografía cuántica, se han usado fotones de luz entrelazados para transmitir información de forma que cualquier intercepción sea detectable.

Y los estados cuánticos entrelazados de átomos o fotones podrían usarse en la computación cuántica. Los estados superpuestos codifican mucha más información de la que es posible con los bits convencionales de dos estados.

Pero las superposiciones y el entrelazamiento normalmente se ven como estados delicados, fácilmente perturbables por el empuje atómico aleatorio de un entorno cálido. Esta perturbación también tiende a suceder rápidamente si los estados cuánticos contienen muchas partículas interactuantes – en otras palabras, para objetos grandes.

Fotones y fonones

Walmsley y sus colegas solventaron ésto entrelazando vibraciones atómicas sincronizadas, llamadas fonones, en un diamante. Los fonones son movimientos ondulatorios de muchos átomos en una retícula, algo similar a las ondas del sonido en el aire, y tienen lugar en todos los sólidos. Pero en los diamantes, la rigidez de la retícula indica que los fonones tienen frecuencias y energías muy altas y, por tanto, normalmente no están activos ni siquiera a temperatura ambiente.

Los investigadores usaron un pulso láser para estimular la vibración de los fonones en dos cristales de 3 milímetros de anchura y separados 15 centímetros. Dicen que cada fonón implica la vibración coherente de aproximadamente 10¹⁶ átomos, correspondiente a una región del cristal de aproximadamente 0,05 milímetros de anchura y 0,25 milímetros de largo – lo bastante grande como para observarse a simple vista.

Hay tres condiciones cruciales que deben darse para lograr fonones entrelazados en dos cristales de diamante. Primero, debe excitarse un fonón con sólo un fotón del haz de fotones del láser. Segundo, este fotón debe enviarse a través de un ‘divisor de haz’ que lo dirija a un cristal u otro. Si no se detecta la ruta, entonces el fotón puede considerarse que ha ido en ambas direcciones a la vez: está en una superposición de trayectorias. El fonón resultante quedan entonces entrelazado también en un estado de superposición.

La tercera condición es que el fotón debe también convertir parte de su energía en un fotón de menor energía, conocido como fotón de Stokes, el cual señala la presencia del fonón.

“Cuando detectamos el fotón de Stokes supimos que habíamos creado un fonón, pero no podemos saber en principio en qué diamante reside ahora”, dice Walmsley. “Éste es el estado entrelazado, para el cual ni la afirmación ‘este diamante está vibrando’ ni ‘este diamante no está vibrando’ es cierta”.

Para verificar que se ha logrado el estado del diamante, los investigadores disparan un segundo pulso láser a los cristales para ‘leer’ el fonón, a partir del cual el fotón láser extrae energía extra. Todas las condiciones necesarias se satisfacen sólo muy raramente durante el experimento. “Tuvieron que realizar un número astronómicamente alto de intentos para lograr un número finito de resultados deseados”, dice Cleland.

Duda que existan aplicaciones inmediatas para la técnica, en parte debido a que el entrelazamiento es de vida muy corta. “No estoy seguro de hacia dónde irá este trabajo a partir de ahora”, dice Cleland. “No se me ocurre un uso concreto para un entrelazamiento que dura apenas unos pocos picosegundos” (10^-12 segundos).

Pero Walmsey es más optimista. “Los diamantes podrían formar la base de una potente tecnología para un procesador de información cuántico práctico”, comenta. “Las propiedades ópticas del diamante lo hacen ideal para producir diminutos circuitos ópticos en chips”.

Nature doi:10.1038/nature.2011.9532

Artículos de Referencia: