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El experimento de Aspect fue el primer experimento de mecánica cuántica que demostró la violación de las desigualdades de Bell con fotones utilizando detectores distantes. Su resultado de 1982 permitió una mayor validación de los principios de entrelazamiento cuántico y de localidad . También ofreció una respuesta experimental a la paradoja de Albert Einstein , Boris Podolsky y Nathan Rosen que se había propuesto unos cincuenta años antes.
Fue el primer experimento en eliminar la laguna de localidad , ya que fue capaz de modificar el ángulo de los polarizadores mientras los fotones estaban en vuelo, más rápido de lo que la luz tardaría en llegar al otro polarizador, eliminando la posibilidad de comunicaciones entre detectores.
El experimento fue dirigido por el físico francés Alain Aspect en el Instituto de Óptica Teórica y Aplicada de Orsay entre 1980 y 1982. Su importancia fue inmediatamente reconocida por la comunidad científica. Aunque la metodología llevada a cabo por Aspect presenta un fallo potencial, la laguna de detección , su resultado se considera decisivo y dio lugar a numerosos otros experimentos (los llamados tests de Bell ) que confirmaron el experimento original de Aspect. [1]
Por su trabajo sobre este tema , Aspect fue galardonado con parte del Premio Nobel de Física 2022. [2]
La paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) es un experimento mental propuesto por los físicos Albert Einstein , Boris Podolsky y Nathan Rosen que sostiene que la descripción de la realidad física proporcionada por la mecánica cuántica es incompleta. [3] En el artículo de EPR de 1935 titulado "¿Puede considerarse completa la descripción mecánico-cuántica de la realidad física?", argumentaron la existencia de "elementos de la realidad" que no formaban parte de la teoría cuántica y especularon que debería ser posible construir una teoría que contuviera estas variables ocultas . Las resoluciones de la paradoja tienen implicaciones importantes para la interpretación de la mecánica cuántica .
El experimento mental implica un par de partículas preparadas en lo que más tarde se conocería como un estado entrelazado . Einstein, Podolsky y Rosen señalaron que, en este estado, si se medía la posición de la primera partícula, se podía predecir el resultado de medir la posición de la segunda partícula. Si, en cambio, se medía el momento de la primera partícula, se podía predecir el resultado de medir el momento de la segunda partícula. Argumentaron que ninguna acción realizada sobre la primera partícula podría afectar instantáneamente a la otra, ya que esto implicaría que la información se transmitiera más rápido que la luz, lo que está prohibido por la teoría de la relatividad . Invocaron un principio, más tarde conocido como el "criterio EPR de realidad", que postulaba que: "Si, sin perturbar de ninguna manera un sistema, podemos predecir con certeza (es decir, con probabilidad igual a la unidad) el valor de una cantidad física, entonces existe un elemento de realidad correspondiente a esa cantidad". A partir de esto, dedujeron que la segunda partícula debe tener un valor definido tanto de posición como de momento antes de que se mida cualquiera de las cantidades. Pero la mecánica cuántica considera que estos dos observables son incompatibles y, por lo tanto, no asocia valores simultáneos para ambos a ningún sistema. Por lo tanto, Einstein, Podolsky y Rosen concluyeron que la teoría cuántica no proporciona una descripción completa de la realidad. [4]
En 1964, el físico irlandés John Stewart Bell llevó el análisis del entrelazamiento cuántico mucho más allá. [5] Dedujo que si las mediciones se realizan de forma independiente en las dos partículas separadas de un par entrelazado, entonces la suposición de que los resultados dependen de variables ocultas dentro de cada mitad implica una restricción matemática sobre cómo se correlacionan los resultados de las dos mediciones. Esta restricción más tarde se llamaría desigualdades de Bell . Bell luego demostró que la física cuántica predice correlaciones que violan esta desigualdad. En consecuencia, la única forma en que las variables ocultas podrían explicar las predicciones de la física cuántica es si son "no locales", lo que quiere decir que de alguna manera las dos partículas pueden influirse entre sí instantáneamente sin importar cuán ampliamente se separen. [6] [7]
En 1969, John Clauser y Michael Horne , junto con el estudiante de doctorado de Horne, Abner Shimony , y el estudiante de doctorado de Francis Pinki, Richard Holt, idearon la desigualdad CHSH , una reformulación de la desigualdad de Bell que podía probarse mejor con experimentos. [8]
El primer experimento rudimentario diseñado para probar el teorema de Bell fue realizado en 1972 por Clauser y Stuart Freedman en la Universidad de California, Berkeley . [9] En 1973, en la Universidad de Harvard , los experimentos de Pipkin y Holt sugirieron la conclusión opuesta, negando que la mecánica cuántica viola las desigualdades de Bell. [8] Edward S. Fry y Randall C. Thompson de la Universidad Texas A&M , volvieron a intentar el experimento en 1973 y estuvieron de acuerdo con Clauser. [8] Estos experimentos fueron solo una prueba limitada, porque la elección de los ajustes del detector se realizó antes de que los fotones hubieran abandonado la fuente. [8]
Asesorado por John Bell, Alain Aspect trabajó para desarrollar un experimento para eliminar esta limitación. [8]
Alain Aspect completó su tesis doctoral en 1971 trabajando en holografía y luego se fue al extranjero para enseñar en la Escuela Normal de Camerún . Regresó a Francia en 1974 y se unió al Institut d'optique en Orsay trabajando para su tesis de habilitación . El físico Christian Imbert le gestionó varios artículos de Bell y Aspect trabajó durante cinco años en la construcción y pruebas preliminares para su experimento. [8] Publicó sus primeros resultados experimentales en 1981 y completó su habilitación en 1983 con los resultados finales de su experimento. [8] Los árbitros incluyeron a André Maréchal y Christian Imbert del Institut d'optique, Franck Laloë , Bernard d'Espagnat , Claude Cohen-Tannoudji y John Bell. [8]
La ilustración anterior representa el esquema principal a partir del cual John Bell demostró sus desigualdades: una fuente de fotones entrelazados S emite simultáneamente dos fotones y cuya polarización está preparada de modo que el vector de estado de ambos fotones sea:
Esta fórmula simplemente significa que los fotones están en un estado superpuesto : están en una combinación lineal de ambos fotones polarizados verticalmente más ambos fotones polarizados horizontalmente, con una probabilidad igual. Estos dos fotones se miden luego utilizando dos polarizadores P 1 y P 2 , cada uno con un ángulo de medición configurable: α y β . El resultado de la medición de cada polarizador puede ser (+) o (−) según si la polarización medida es paralela o perpendicular al ángulo de medición del polarizador.
Un aspecto destacable es que los polarizadores imaginados para este experimento ideal dan un resultado medible tanto en la situación (−) como en la (+). No todos los polarizadores reales son capaces de hacer esto: algunos detectan la situación (+), por ejemplo, pero no son capaces de detectar nada en la situación (−) (el fotón nunca sale del polarizador). Los primeros experimentos utilizaron este último tipo de polarizador. Los polarizadores de Alain Aspect resultaron más capaces de detectar ambos escenarios y, por lo tanto, mucho más cercanos al experimento ideal.
Dado el aparato y el estado inicial de polarización dado a los fotones, la mecánica cuántica es capaz de predecir las probabilidades de medición (+,+), (−,−), (+,−) y (−,+) en los polarizadores (P 1 ,P 2 ), orientados en los ángulos ( α , β ). Como recordatorio en mecánica cuántica:
La cantidad de interés es una función de correlación dada por [10]
con
donde ( α ', β ') son un conjunto de ángulos diferentes. Según la desigualdad CHSH ,
un tipo de desigualdad de Bell. Sin embargo, la mecánica cuántica predice una violación máxima de esta desigualdad para | α − β | = | α' − β | = | α' − β' | = 22,5° y | α − β' | = 67,5°.
En 1975, cuando todavía faltaba un experimento decisivo basado en la violación de las desigualdades de Bell y que verificara la veracidad del entrelazamiento cuántico, Alain Aspect propuso en un artículo un experimento lo suficientemente meticuloso como para ser irrefutable. [11] [12]
Alain Aspect precisó su experimento de forma que fuera lo más decisivo posible. A saber:
Alain Aspect llevó a cabo una serie de experimentos de tres rondas cada vez más complejas entre 1980 y 1981. La primera ronda de experimentos reprodujo las pruebas experimentales de Clauser, Holt y Fry. En la segunda ronda de experimentos añadió un polarizador de dos canales que mejoró la eficiencia de las detecciones. Estas dos rondas de experimentos se llevaron a cabo con la ayuda del ingeniero de investigación Gérard Roger y del físico Philippe Grangier , estudiante universitario en ese momento. [8]
La tercera ronda de experimentos tuvo lugar en 1982, y se llevaron a cabo en colaboración con Roger y el físico Jean Dalibard , un joven estudiante en ese momento. [8] Esta última ronda es la más cercana a las especificaciones iniciales y se describirá aquí.
Los primeros experimentos que probaron las desigualdades de Bell poseían fuentes de fotones de baja intensidad y requerían de una semana continua para completarse. Una de las primeras mejoras de Aspect consistió en utilizar una fuente de fotones varios órdenes de magnitud más eficiente. Esta fuente permitió una tasa de detección de 100 fotones por segundo, acortando así la duración del experimento a 100 segundos .
La fuente utilizada es una cascada radiativa de calcio , excitada con un láser de criptón.
Uno de los puntos principales de este experimento fue asegurarse de que la correlación entre las mediciones P 1 y P 2 no hubiera sido el resultado de efectos "clásicos", especialmente artefactos experimentales.
Por ejemplo, cuando P 1 y P 2 se preparan con ángulos fijos α y β , se puede suponer que este estado genera correlaciones parásitas a través de bucles de corriente o masa, o algún otro efecto. De hecho, ambos polarizadores pertenecen a la misma configuración y podrían influirse entre sí a través de los diversos circuitos del dispositivo experimental y generar correlaciones al realizar la medición.
Se puede entonces imaginar que la orientación fija de los polarizadores afecta, de una manera u otra, el estado en que se emite el par de fotones. En tal caso, las correlaciones entre los resultados de las mediciones podrían explicarse por variables locales ocultas dentro de los fotones, en el momento de su emisión. Alain Aspects había mencionado estas observaciones al propio John Bell. [ cita requerida ]
Una forma de descartar este tipo de efectos es determinar la orientación (α,β) de los polarizadores en el último momento (después de que se han emitido los fotones y antes de su detección) y mantenerlos lo suficientemente alejados entre sí para evitar que cualquier señal llegue a cualquiera de ellos.
Este método garantiza que la orientación de los polarizadores durante la emisión no tenga ninguna influencia en el resultado (ya que la orientación aún no se ha determinado durante la emisión). También garantiza que los polarizadores no se influyan entre sí al estar demasiado alejados entre sí.
Por ello, en el experimento de Aspect los polarizadores P1 y P2 están situados a 6 metros de la fuente y a 12 metros entre sí. Con esta configuración, entre la emisión de los fotones y su detección transcurren tan solo 20 nanosegundos. Durante este breve periodo de tiempo, el experimentador tiene que decidir la orientación de los polarizadores y, a continuación, orientarlos.
Dado que es físicamente imposible modificar la orientación de un polarizador en un lapso de tiempo tan largo, se utilizaron dos polarizadores, uno para cada lado, y se orientaron previamente en direcciones diferentes. Una derivación de alta frecuencia se orientó aleatoriamente hacia un polarizador o hacia el otro. La configuración correspondió a un polarizador con un ángulo de polarización de inclinación aleatoria.
Como tampoco era posible que los fotones emitidos provocaran la inclinación, los polarizadores se desviaban periódicamente cada 10 nanosegundos (de forma asincrónica con la emisión del fotón) asegurando así que el dispositivo de referencia se inclinara al menos una vez entre la emisión del fotón y su detección.
Otra característica importante del experimento de 1982 fue el uso de polarizadores de dos canales que permitían obtener un resultado medible en las situaciones (+) y (−). Los polarizadores utilizados hasta el experimento de Aspect podían detectar la situación (+), pero no la situación (−). Estos polarizadores de un solo canal tenían dos inconvenientes importantes:
Los polarizadores de dos canales que Aspect utilizó en su experimento evitaron estos dos inconvenientes y le permitieron utilizar directamente las fórmulas de Bell para calcular las desigualdades.
Técnicamente, los polarizadores que utilizó eran cubos polarizadores que transmitían una polaridad y reflejaban la otra, emulando un dispositivo Stern-Gerlach .
Las desigualdades de Bell establecen una curva teórica del número de correlaciones (++ o −−) entre los dos detectores en relación con el ángulo relativo de los detectores . La forma de la curva es característica de la violación de las desigualdades de Bell. La coincidencia de las medidas con la forma de la curva establece, cuantitativa y cualitativamente, que se han violado las desigualdades de Bell.
Los tres experimentos de Aspect confirmaron inequívocamente la violación, tal como predijo la mecánica cuántica, socavando así la perspectiva realista local de Einstein sobre la mecánica cuántica y los escenarios de variables ocultas locales . Además de confirmarse, la violación se confirmó de la manera exacta predicha por la mecánica cuántica , con una concordancia estadística de hasta 242 desviaciones estándar . [13]
Dada la calidad técnica del experimento, la escrupulosa evitación de artefactos experimentales y la concordancia estadística casi perfecta, este experimento convenció a la comunidad científica en general de que la física cuántica viola las desigualdades de Bell.
Después de los resultados, algunos físicos intentaron legítimamente buscar fallos en el experimento de Aspect y descubrir cómo mejorarlo para resistir las críticas.
Se pueden plantear algunas objeciones teóricas contra esta configuración:
El experimento ideal, que negaría cualquier posibilidad imaginable de correlaciones inducidas, debería:
Las condiciones del experimento también adolecían de una laguna en la detección . [1]
Después de 1982, los físicos comenzaron a buscar aplicaciones del entrelazamiento, lo que condujo al desarrollo de la computación cuántica y la criptografía cuántica . [8]
Por su trabajo sobre este tema, Aspect recibió varios premios, incluido el Premio Wolf de Física de 2010 y el Premio Nobel de Física de 2022 , ambos compartidos con John Clauser y Anton Zeilinger por sus pruebas de Bell. [2] [14]
Las lagunas mencionadas sólo pudieron ser resueltas a partir de 1998. Mientras tanto, el experimento de Aspect fue reproducido y la violación de las desigualdades de Bell fue confirmada sistemáticamente, con una certeza estadística de hasta 100 desviaciones estándar .
Se realizaron otros experimentos para comprobar las violaciones de las desigualdades de Bell con otros observables distintos de la polarización, con el fin de acercarse al espíritu original de la paradoja EPR, en la que Einstein imaginó medir dos variables combinadas (como la posición y la cantidad de movimiento) en un par EPR. Un experimento introdujo las variables combinadas (tiempo y energía) que, una vez más, confirmaron la mecánica cuántica. [15]
En 1998, el experimento de Ginebra puso a prueba la correlación entre dos detectores situados a 30 kilómetros de distancia utilizando la red suiza de telecomunicaciones por fibra óptica. [16] La distancia dio más tiempo para conmutar los ángulos de los polarizadores. Por lo tanto, fue posible tener una derivación completamente aleatoria. Además, los dos polarizadores distantes eran completamente independientes. Las mediciones se registraron en cada lado y se compararon después del experimento datando cada medición utilizando un reloj atómico. La violación de las desigualdades de Bell se verificó una vez más bajo condiciones estrictas y prácticamente ideales. Si el experimento de Aspect implicaba que una señal de coordinación hipotética viajaba dos veces más rápido que la velocidad de la luz c , el de Ginebra alcanzaba 10 millones de veces c . [ cita requerida ]
En 2000, en el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) se llevó a cabo un experimento sobre el entrelazamiento de iones atrapados utilizando un método de detección basado en correlación muy eficiente. [17] La fiabilidad de la detección resultó ser suficiente para que el experimento violara las desigualdades de Bell en general, aunque no todas las correlaciones detectadas las violaran.
En 2001, el equipo de Antoine Suárez, en el que se encontraba Nicolas Gisin , que había participado en el experimento de Ginebra, reprodujo el experimento utilizando espejos o detectores en movimiento, lo que les permitió invertir el orden de los acontecimientos a través de los sistemas de referencia, de acuerdo con la relatividad especial (esta inversión sólo es posible para acontecimientos sin ninguna relación causal). Las velocidades se eligen de manera que cuando un fotón se refleja o atraviesa el espejo semitransparente, el otro fotón ya ha cruzado o se ha reflejado desde el punto de vista del sistema de referencia unido al espejo. Se trata de una configuración "después-después", en la que las ondas sonoras desempeñan el papel de espejos semitransparentes.
En 2015, grupos independientes de la Universidad Tecnológica de Delft , la Universidad de Viena y el NIST publicaron en tres meses las tres primeras pruebas de Bell sin lagunas significativas . Las tres pruebas abordaron simultáneamente la laguna de detección, la laguna de localidad y la laguna de memoria. [8]
Antes de los experimentos de Aspect, el teorema de Bell era un tema de nicho. Las publicaciones de Aspect y sus colaboradores impulsaron un debate más amplio sobre el tema. [18]
El hecho de que se descubra que la naturaleza viola la desigualdad de Bell implica que una o más de las suposiciones subyacentes a esa desigualdad no deben ser ciertas. Diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica proporcionan diferentes puntos de vista sobre qué suposiciones deben rechazarse. [19] [20] [21] Las interpretaciones de tipo Copenhague generalmente toman la violación de las desigualdades de Bell como base para rechazar la suposición a menudo llamada de definición contrafáctica . [22] [23] [24] Esta es también la ruta tomada por las interpretaciones que descienden de la tradición de Copenhague, como las historias consistentes (a menudo publicitadas como "Copenhague bien hecho"), [25] así como el QBismo . [26] En contraste, las versiones de la interpretación de los muchos mundos violan una suposición implícita de Bell de que las mediciones tienen un solo resultado. [27] A diferencia de todas ellas, la interpretación bohmiana o de "onda piloto" abandona la suposición de localidad: la comunicación instantánea puede existir a nivel de las variables ocultas, pero no puede usarse para enviar señales. [28]
