En 1935, en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Einstein, el postdoctorado Rosen y el investigador Podolsky colaboraron en el artículo "¿Se puede considerar completa la descripción mecánica cuántica de la realidad física?" El artículo fue publicado en la edición de mayo de Physical Review. Este es el primer artículo que utiliza la teoría de la mecánica cuántica para discutir predicciones contraintuitivas de sistemas fuertemente correlacionados. En este artículo, profundizan en la paradoja EPR e intentan discutir el carácter incompleto de la mecánica cuántica a través de un experimento mental. No investigaron más a fondo la naturaleza del entrelazamiento cuántico. [2]
Después de leer el artículo de EPR, Schrödinger tuvo muchas ideas. ¿Escribió una carta a Einstein en alemán en la que utilizó por primera vez el término "tiempo inverso"? Nkung (que traduce como "entrelazamiento") es el experimento mental EPR que describe la relación entre dos partículas acopladas temporalmente que persiste después de que ya no están acopladas. Poco después, Schrödinger publicó un importante artículo en el que definía el término "entrelazamiento cuántico" y exploraba conceptos relacionados. Schrödinger se dio cuenta de la importancia de este concepto. Demostró que el entrelazamiento cuántico no sólo es una propiedad muy interesante de la mecánica cuántica, sino también una propiedad característica de la mecánica cuántica. El entrelazamiento cuántico supone un corte total entre la mecánica cuántica y el pensamiento clásico. Al igual que Einstein, Schrödinger no estaba satisfecho con el concepto de entrelazamiento cuántico, que parecía violar el límite de velocidad fijado por la teoría de la relatividad para la transmisión de información. Más tarde, Einstein incluso se burló del entrelazamiento cuántico calificándolo de una forma espeluznante de acción a distancia.
El artículo de EPR evidentemente ha despertado el interés de muchos físicos y los ha inspirado a explorar la teoría básica de la mecánica cuántica. Pero por lo demás, los físicos consideran que el tema es irrelevante para la mecánica cuántica moderna. Durante mucho tiempo, la comunidad física no prestó especial atención a este tema y no encontró fallas importantes en el documento del EPR. El artículo de EPR intenta establecer una teoría local de variables ocultas para reemplazar la teoría de la mecánica cuántica. En 1964, el artículo de John Bell demostró que para el experimento mental EPR, las predicciones de la mecánica cuántica eran claramente diferentes de las de la teoría de variables ocultas locales. En general, si los espines de dos partículas se miden a lo largo de diferentes ejes, la correlación estadística obtenida por la mecánica cuántica es mucho más fuerte que la obtenida por la teoría de variables ocultas locales. La desigualdad de Bell da esta diferencia cualitativamente, y los experimentos deberían poder detectar esta diferencia. Entonces los físicos hicieron muchos experimentos para probar la desigualdad de Bell.
La primera imagen del entrelazamiento cuántico
En 1972, John Krause y Stuart Freedman completaron por primera vez esta prueba. La tesis doctoral de Alan Aspe en 1982 trataba sobre este tipo de experimentos de prueba. Los resultados experimentales que obtuvieron fueron consistentes con las predicciones de la mecánica cuántica, pero inconsistentes con las predicciones de la teoría de variables ocultas locales, confirmando así que la teoría de las variables ocultas locales no está establecida. Pero todo experimento relevante tiene lagunas, lo que hace que se cuestione su exactitud. Es necesario completar experimentos más precisos antes de poder sacar conclusiones.
Muchos resultados de investigación a lo largo de los años han contribuido a la posibilidad de aplicar estas correlaciones súper fuertes para transmitir información, lo que ha llevado al desarrollo exitoso de la criptografía cuántica. Los más famosos son el protocolo BB84 inventado por Charles Bennett y Gilles Brassard y el protocolo E91 inventado por Arthur Eckert.
El 6 de junio de 2017 se implementó con éxito por primera vez el satélite experimental de ciencia cuántica Micius. Dos fotones entrelazados cuánticamente aún pueden mantener su estado de entrelazamiento cuántico después de distribuirse a una distancia de más de 1.200 kilómetros.
El 25 de abril de 2018, un equipo experimental dirigido por Mika Sillanp, profesor de la Universidad Aalto en Finlandia, logró entrelazar dos tímpanos que vibraban de forma independiente. Cada tímpano tiene sólo 15 micrones de ancho, aproximadamente el ancho de un cabello. Está formado por 10 átomos de aluminio.
A través de circuitos de microondas superconductores, la interacción entre los dos tímpanos duró unos 30 minutos a temperaturas casi absolutas (-273,15 grados Celsius). Este experimento demuestra el entrelazamiento cuántico macroscópico.
Supongamos que un pión neutro de espín cero se desintegra en un electrón y un positrón. Los dos productos de desintegración se mueven en direcciones opuestas. El electrón se mueve al área A, y el observador "Alice" observará el giro del electrón a lo largo de un determinado eje; el positrón se mueve al área B, donde el observador "Bob" también observará el giro del positrón a lo largo del mismo eje; . Girar. Antes de la medición, estas dos partículas entrelazadas * * * juntas forman un "estado entrelazado" con espín cero, que es la superposición de dos estados producto, representado por el símbolo de Dirac [3].
Entre ellos, significa que el giro de la partícula es hacia arriba o hacia abajo respectivamente.
El primer término entre paréntesis indica que el espín del electrón es ascendente, y sólo si el espín del positrón es descendente; el segundo término indica que el espín del electrón es descendente si y sólo cuando el espín del positrón es descendente; es hacia arriba. Las dos situaciones se superponen y es probable que cada situación suceda. No estoy seguro de qué escenario sucederá. Entonces, los electrones y los positrones se entrelazan para formar un estado entrelazado. Sin mediciones, es imposible conocer el giro de cualquiera de las partículas. Según la interpretación de Copenhague, esta propiedad no existe. Las dos partículas en este estado singlete están inversamente relacionadas y los espines de las dos partículas se miden por separado. Si el espín del electrón está hacia arriba, entonces el espín del positrón está hacia abajo, y viceversa. Si el electrón gira hacia abajo, el positrón gira hacia arriba y viceversa. La mecánica cuántica no puede predecir qué conjunto de valores, pero puede predecir que la probabilidad de obtener cualquier conjunto de valores es 50.
Los espines de las partículas a lo largo de diferentes ejes son mutuamente excluyentes y las mediciones de estos observables incompatibles no deben arrojar resultados claros al mismo tiempo. Esta es una teoría básica de la mecánica cuántica. En la mecánica clásica, esta teoría básica no tiene sentido. En teoría, la propiedad de cualquier partícula se puede medir con cualquier precisión. El teorema de Bell se refiere al hecho probado experimentalmente de que el resultado obtenido al medir dos observables incompatibles no obedece a la desigualdad de Bell. Básicamente, el entrelazamiento cuántico es un fenómeno no clásico. [4]
El mantenimiento del principio de incertidumbre debe depender del mecanismo de entrelazamiento cuántico. Por ejemplo, imaginemos un caso anterior de desintegración de un pión neutro de espín cero. Los dos productos de desintegración se movieron en direcciones opuestas y se midieron respectivamente la posición del electrón y el momento del positrón. Si el mecanismo de entrelazamiento cuántico no existe, la posición y el momento de las dos partículas se pueden predecir utilizando leyes de conservación, lo que viola el principio de incertidumbre. Debido al mecanismo de entrelazamiento cuántico, la posición y el momento de las partículas obedecen al principio de incertidumbre.
Las propiedades físicas de dos partículas entrelazadas se miden a partir de dos sistemas de referencia que se mueven a velocidades relativistas. Aunque el momento de medir las dos partículas es diferente en cada marco de referencia, los datos experimentales obtenidos aún violan la desigualdad de Bell y la correlación cuántica de las dos partículas entrelazadas aún se puede reproducir de manera confiable.