Descubren un vínculo sorpresa entre los extraños fenómenos cuánticos

Entrelazamiento cuánticoUna investigadora de la Universidad Nacional de Singapur y otro de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) relacionan esta semana en Science dos conceptos fundamentales y aparentemente contradictorios de la mecánica cuántica: la incertidumbre y la no-localidad, de tal forma que el primero establece límites al segundo.

El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que ciertas medidas en una partícula, como su posición y el momento lineal, no se pueden predecir a la vez. Respecto a la no-localidad, que Einstein denominó “acción fantasmal a distancia”, las mediciones realizadas en uno de los dos sistemas entrelazados, que están separados en el espacio, pueden influir en el otro. Dos científicos han descubierto ahora un vínculo fundamental entre las dos propiedades que definen la física cuántica.

La investigadora Stephanie Wehner, del Centro de Tecnología Cuántica de Singapur y de la Universidad Nacional de Singapur, y Jonathan Oppenheim, de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), publican esta semana su trabajo en el último número de la revista Science.

El resultado se anuncia como un avance espectacular en el conocimiento básico de la mecánica cuántica, y proporciona nuevas pistas a los investigadores que busquen comprender los fundamentos de la teoría cuántica. El resultado se refiere a la pregunta de por qué el comportamiento cuántico es tan raro como es, pero no más.

El extraño comportamiento de las partículas cuánticas, como los átomos, los electrones y los fotones que componen la luz, ha dejado perplejos a los científicos durante casi un siglo. Albert Einstein se cuenta entre los que pensaban que el mundo cuántico era tan extraño que la teoría cuántica debía de estar equivocada, pero los experimentos han confirmado las predicciones de la misma.

Uno de los aspectos extraños de la teoría cuántica es que es imposible saber ciertas cosas, como el momento de una partícula y su posición al mismo tiempo. El conocimiento de una de estas propiedades afecta a la precisión con la que se puede aprender de la otra: el citado “principio de incertidumbre de Heisenberg”.

El otro aspecto extraño es el fenómeno cuántico de la no-localidad, que se deriva del más conocido fenómeno del entrelazado. Cuando dos partículas cuánticas se entrelazan, pueden realizar acciones en las que pareciera que estuvieran coordinadas entre sí en formas que desafían la intuición clásica acerca de las partículas separadas físicamente.

La incertidumbre determina la “cantidad” de no-localidad

Anteriormente, los investigadores han tratado la no-localidad y la incertidumbre como dos fenómenos separados. Ahora, Wehner y Oppenheim han demostrado que se hallan estrechamente vinculados. Y, lo que es más, muestran que este vínculo es cuantitativo y han encontrado una ecuación que muestra que la “cantidad” de la no-localidad se halla determinada por el principio de incertidumbre.

“Es un giro sorprendente y tal vez irónico — dice Oppenheim, investigador de la Royal Society University del Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica en la Universidad de Cambridge. Einstein y sus colegas descubrieron la no-localidad mientras buscaban una manera de socavar el principio de incertidumbre”. Ahora, el principio de incertidumbre parece estar mordiéndose la lengua”.

La no-localidad determina hasta qué punto dos partes distantes pueden coordinar sus acciones sin tener que enviarse información entre ellas. Los físicos creen que, incluso en la mecánica cuántica, la información no puede viajar más rápido que la luz. Sin embargo, resulta que la mecánica cuántica permite que dos partes se coordinen mucho mejor de lo que sería posible en virtud de las leyes de la física clásica. De hecho, sus acciones se pueden coordinar de manera que casi parece como si hubieran sido capaces de hablar. Einstein acuñó el famoso término “acción fantasmal a distancia” para referirse a este fenómeno.

Sin embargo, la no-localidad cuántica podría ser incluso más extraña de lo que realmente es. Se pueden concebir teorías que permitan a las partes distantes coordinar sus acciones mucho mejor de lo que la naturaleza permite, pero sin permitir que la información viaje más rápido que la luz. La naturaleza puede ser más extraña, y, sin embargo, no lo es: la teoría cuántica parece imponer un límite adicional a la extrañeza.

“La teoría cuántica es bastante rara, pero no es tanto como lo podría ser. Realmente, tenemos que preguntarnos por qué la mecánica cuántica está así de limitada, por qué no permite la naturaleza que se dé una no-localidad aún más fuerte”, sostiene Oppenheim.

Respuestas y piratas informáticos

El sorprendente resultado de Wehner y Oppenheim es que el principio de incertidumbre proporciona una respuesta. Dos partes solo pueden coordinar mejor sus acciones si quebrantan el principio de incertidumbre, el cual impone una estricta obligación sobre hasta qué punto puede ser fuerte la no-localidad.

“Sería fantástico si se pudieran coordinar mejor nuestras acciones en largas distancias, ya que nos permitiría resolver muchas de las tareas de procesamiento de información de manera muy eficiente —dice Wehner—. Sin embargo, la física sería radicalmente diferente. Si quebrantáramos el principio de incertidumbre, no habría forma de saber realmente cómo sería nuestro mundo”.

¿Cómo han descubierto los investigadores una conexión que había pasado desapercibida tanto tiempo? Antes de entrar en la academia, Wehner trabajó como “pirata informática de alquiler”, y ahora trabaja en la teoría cuántica de la información, mientras que Oppenheim es físico. Wehner piensa que la aplicación de las técnicas de la informática a las leyes de la física teórica fue la clave para detectar la conexión. “Creo que una de las ideas fundamentales es vincular la cuestión a un problema de codificación —dice Wehner—. Las formas tradicionales de ver la no-localidad y la incertidumbre ocultaron la estrecha relación entre ambos conceptos”.

Wehner y Oppenheim han refundido los fenómenos de la física cuántica en términos que le resultarían familiares a un pirata informático. Tratan la no-localidad como el resultado de una parte, Alice, que crea y codifica la información, y una segunda, Bob, que recupera la información de la codificación. Hasta qué punto pueden Alice y Bob codificar y recuperar la información está determinado por las relaciones de incertidumbre. En algunas situaciones, se encontraron con que una tercera propiedad, que se conoce como «dirección», entra en escena.

Los dos investigadores comparan su hallazgo con descubrir lo que determina la facilidad con que dos jugadores pueden ganar un juego de mesa cuántico: el tablero tiene solo dos casillas, en el que Alice, puede colocar una ficha de dos posibles colores: verde o rosa. Se le dice que coloque el mismo color en ambas casillas, o que coloque un color diferente en cada una. Bob tiene que adivinar el color que Alice colocó en la casilla uno o dos. Si acierta, Alice y Bob ganan el juego.

Alice y Bob tratan de ganar la partida

Es evidente que Alice y Bob podrían ganar la partida si pudieran hablar entre sí: bastaría con que Alice le dijera a Bob qué colores están en las casillas uno y dos. Pero Bob y Alice se encuentran tan lejos el uno del otro que la luz —y, por lo tanto, una señal que lleve información— no tiene tiempo para pasar entre ellos durante la partida.

Si no pueden hablar, no siempre podrán ganar; pero, al medir las partículas cuánticas, pueden ganar la partida con más frecuencia que con cualquier estrategia que no se base en la teoría cuántica. No obstante, el principio de incertidumbre les impide hacer nada mejor, e incluso determina con qué frecuencia perderán el juego.

El hallazgo conduce a la cuestión profunda de cuáles son los principios que subyacen tras la física cuántica. Muchos de los intentos por comprender los fundamentos de la mecánica cuántica se han centrado en la no-localidad. Wehner cree que se podría obtener aún más del examen de los detalles del principio de incertidumbre. “Sin embargo, apenas hemos arañado la superficie de la comprensión de las relaciones de incertidumbre”, comenta.

El avance está a prueba de futuro, dicen los investigadores. Los científicos todavía están en busca de una teoría cuántica de la gravedad, y Wehner y el resultado de Oppenheim relativo a la no-localidad, la incertidumbre y la dirección se aplica a todas las teorías posibles (incluida la futura sustitución de la mecánica cuántica).


Referencia bibliográfica: J. Oppenheim y S. Wehner. “The Uncertainty Principle Determines the Nonlocality of Quantum Mechanics”. Science 330, 19 de noviembre de 2010.

Fecha Original: 18 de noviembre de 2010
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Comments (11)

  1. [...] Descubren un vínculo sorpresa entre los extraños fenómenos cuánticos http://www.cienciakanija.com/2010/11/19/descubren-un-vinculo-sor…  por deDerechas hace 2 segundos [...]

  2. Hector04

    Me cabe una duda con respecto a lo que se anuncia como notición:
    De acuerdo a la interpretación de Copenhague:
    1.- nos movemos desde un pasado definido y determinado hacia un futuro incierto e indefinido através del presente dominado por el principio de incertidumbre.
    2.- El colapso de la función de onda de dos onda-partículas entrelazadas se produce al tomar un valor definido y complementario dentro de las funciones propias de dicha función de onda.
    No existe continuidad en t, es decir el salto(colapso) es instantáneo de ello se desprende su independencia a c(velocidad de la luz), y una segunda interpretación que dice que hasta antes del colapso toman todos los valores posibles. (interpretación de Broglie–Bohm )

    Luego en el artículo se menciona el caso de Alice y Bob, donde alice crea y codifica información y bob la recibe, al hacer esto se establece una relación f(t) (Función del tiempo) que contradice 2.
    lo otro y mas importante que dice es que al medir a varios bob puedo saber que probabilidades de que tome el valor opuesto de alice que dicta 2 está “determinado” por el principio de “indeterminación” (¡que contradicción!)
    pero de ser cierto 1 y 2 esta probabilidad es del 100%
    es decir, lo que están proclamando es el fin de la interpretación de Copenhague fundada por Niels Bohr, Max Born y Werner Heisenberg entre otros y que ni Einstein-Podolsky-Rosen y el gato pudieron derribar como demostró John Bell matemáticamente y fisicamente desde 1976.

    • Creo que una vez leí que un profesor de física al empezar las clases de mecánica cuántica dijo a sus alumnos: “Se dice que cuando Einstein publicó la teoría de la relatividad general solo unos pocos eran capaces de comprenderla bien pues yo os digo con toda certeza que nadie entiende la mc” menuda forma de motivarlos no me extraña que la gente prefiera estudiar arte dramático o jardinería :D
      Bueno respecto a lo que dices hago dos puntualizaciones:
      1º) La codificación de la información que hace Alice se refiere a la elección de una determinada forma de polarizar los fotones a enviar (vertical, horizontal o diagonal). Este proceso no implica colapsar la función de onda por lo que no se produce el salto irreversible que como bien dices implica toda medición (este código ha de enviarse por canales usuales para que Bob pueda descifrar la información). La información se envía mediante fotones entrelazados y en superposición. No hay ninguna contradicción con lo establecido en la interpretación de Copenhague.
      2º) Lo que dice el artículo es que el principio de incertidumbre determina el grado de no localidad no las posibilidades de encontrar un 1 o un 0
      En mi opinión de simple aficionado creo que la interpretación de Copenhague está obsoleta y debiera revisarse, eso de decir que solo los resultados de la medida son reales y que lo que pase mientras tanto no nos incumbe o no es real no se sostiene. La función de onda tiene que ser algo más que una entidad matemática, tiene que tener alguna misteriosa conexión con el mundo físico real antes de la medición, cuando está en superposición.
      Un saludo

  3. La verdad es que el artículo no se entiende bien, pues parece que una cosa no tiene que ver con la otra. Si la incertidumbre se refiere a aspectos de una sola partícula, por ejemplo momento y posición, ¿qué tiene que ver esto con otra partícula entrelazada, con la que se produce el fenómeno de la no-localidad?… Hay que expresar mucho mejor a qué se refiere el descubrimiento, pues así no hay quien entienda nada. Saludos:
    Alejandro Álvarez

  4. Si es cierto que el artículo es poco esclarecedor. En resumen lo que dice es que se ha encontrado una conexión entre el principio de incertidumbre y el grado o cantidad de “no localización”. El año pasado traduje en mi página un artículo que creo que puede aportar algo de información a lo que significa “grado de no-localización” es este: Explorando los limites de la no localidad cuantica
    Resumiendo lo que se dice es que el grado de “no localidad” es simplemente el grado de violación de la desigualdad de Bell. Por lo que deduzco que lo que se ha encontrado es que el principio de incertidumbre determina el grado de violación del test de Bell lo cual aunque novedoso no parece especialmente sorprendente aunque es posible que este nuevo enfoque nos de nuevas pistas que nos ayuden a entender la mc. Por cierto en el artículo que indico se dice algo interesante: el límite de “deslocalización” coincide con aquel en el que la complejidad de la comunicación se convierte en trivial y se empiezan a producir paradojas y violaciones de la teoría de la información. Otra misteriosa conexión entre mc e información.
    Un saludo

  5. vaya es compleja la mc!! pero asombrosa a la ves.

    planck una preguntilla.

    este descubrimiento no le pone limites a los ordenadores cuanticos. ya que habia leido que estos se basarian en ese principio?

  6. Hola Edgar, en principio este descubrimiento no influiría en el funcionamiento de los computadores cuánticos. El principio de incertidumbre está en el núcleo de la teoría cuántica desde que se creó y esta relación (a no ser que derive en nuevos conocimientos y se consigan nuevos avances) no debería de influir. Por cierto, los computadores cuánticos están muy limitados por el hecho de que al final del cálculo hay que medir, esta medición destruye la superposición y da un número al azar con la probabilidad que dicta la mc. Hacen falta algoritmos ingeniosos y una correcta preparación del sistema que consigan que al medir la probabilidad de encontrar el número correcto sea muy elevada. El algoritmo de Shor por ejemplo consigue realizar la descomposición de un número primo en tiempo polinómico en lugar de exponencial como los ordenadores clásicos (adios a la seguridad de las transacciones económicas digitales).

  7. Helena Gomez

    No es cierto que el futuro esté indeterminado: lo que dice la mecánica cuántica es que si ponemos una cantidad de partículas en una determinada situación, al cabo de un cierto intervalo de tiempo, una parte de estas partículas habrá sufrido un cambio, sin que se pueda saber que partícula individual cambiará y cual no cambiará, lo cual no significa que el futuro sea indeterminado. En el mundo macroscópico no nos importa si una partícula determinada sufrirá un cambio o no, lo que nos importa es que cada cierto tiempo, cambie el estado de una cantidad de partículas determinada, y esto es precisamente lo que garantiza el principio de incertidumbre.

    • radomiro

      Disculpa pero creo que te equivocas, si no esta indeterminado entonces está determinado y si es así Einstein estaba en lo correcto con su “Dios no juega a los dados con el universo”, lo vez? Sin embargo Einstein se paso la mayor parte de su vida tratando de demostrar esto, y creo que no pudo.

    • jurl

      Sí, sí lo está. Lo que pasa es que a niveles macroscópicos depende de la escala. Sabemos dónde estará la luna dentro de un millón de años, ya empezamos a jugar con probabilidades si la escala son eones, y eso que hablamos de un sistema bastante estable y de casos idealizados. Depende también de lo que consideres partículas del sistema. En realidad, a lo que denominamos “certidumbre” o “determinismo” es a casos particulares donde las probabilidades son altísimas, del 99,9999% como quien dice, que son naturalmente casos particulares que ni siquiera son la mayoría de los que afectan a nuestra vida cotidiana. Realmente, habría que investigar también si nuestra desesperada búsqueda por agarraderas es algo cultural o tiene incluso un trasfondo estructural biológico.

  8. jurl

    El artículo no está nada bien explicado, no. Lo que me sigue reventando es el antropocentrismo omnipresente: “la teoría parece extraña”, “es extraña”, *nos parece* extraña, no es que lo sea… realmente no es mucho más extraña que la gravitación newtoniana para un romano o la evolución de las especies para un pueblo neolítico, que por demás, cualquier ser humano de esa extracción cultural podría llegar a entenderlas sin mayores problemas. Se ve que tenemos que recorrer un camino similar.

    Si no me falla la memoria, esto tampoco es estrictamente nuevo, aunque como trabajo de campo creo que sí.

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