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Correlación cuántica entre diamantes

Un par de cristales de diamante ha sido relacionados mediante el entrelazamiento cuántico. Esto significa que una vibración en los cristales no podría ser significativamente asignada a uno u otro de ambos, los cristales eran al mismo tiempo vibrantes y no vibrantes. El entrelazamiento cuántico – la interdependencia de los estados cuánticos entre partículas que no están en contacto físico – ha sido bien establecida entre las partículas cuánticas como los átomos ultrafríos. Pero como la mayoría de los efectos cuánticos, que no tienden a sobrevivir ya sea a temperatura ambiente o en objetos lo suficientemente grandes como para percibirlos a simple vista. Los diamantes han sido vinculados con el entrelazamiento cuántico – «acción fantasmal a distancia».

Un equipo dirigido por Ian Walmsley, físico de la Universidad de Oxford (Reino Unido), encontró una manera de superar  las limitaciones, lo que demuestra que las consecuencias extrañas de la teoría cuántica se aplican a gran escala, así como en las más pequeñas. El trabajo se ha publicado en Science . El resultado es «inteligente y convincente», dice Andrew Cleland, un especialista en el comportamiento cuántico de los objetos a escala nanométrica en la Universidad de California en Santa Bárbara (EE.UU.).

Entrelazamiento

El entrelazamiento se produce cuando dos partículas cuánticas interactúan entre sí para que sus estados cuánticos se vuelven interdependientes. Si está la primera partícula en el estado A, por ejemplo, entonces el otro debe estar en el estado B, y viceversa.

Hasta que lse efectúa a medición de una de las partículas, su estado es indeterminado: puede ser considerado como en los dos estados A y B al mismo tiempo, esto se conoce como una superposición. El acto de medir ‘colapsa’ esta superposición en  uno sólo  de los estados posibles.

Sin embargo, si las partículas se entrelazan, entonces esta medida también determina el estado de la otra partícula – incluso si han sido separadas por una distancia inmensa. El efecto de la medida se transmite instantáneamente a la otra partícula, a través de lo que Albert Einstein con escepticismo llamó «acción fantasmal a distancia».

Extraño, ya que  el entrelazamiento cuántico es real – y podría ser útil. En una técnica llamada criptografía cuántica, los fotones entrelazados de luz se han utilizado para transmitir información de tal manera que cualquier intercepción es detectable.   Los estados cuánticos entrelazados de los átomos o fotones pueden ser utilizados en la computación cuántica. Los estados superpuestos codifican mucha más información que la que es posible con el sistema convencional de bit de dos estados .

Sin embargo, superposiciones y entrelazado son usualmente vistos como estados delicados, fácilmente perturbados por movimientos  al azar de los átomos en un ambiente cálido. Esta codificación también tiende a ocurrir muy rápidamente, si los estados cuánticos contienen muchas partículas que interactúan – en otras palabras, para objetos  grandes.

Fotones y fonones

Walmsley y colaboradores han estudiado las vibraciones atómicas sincronizadas llamadas fonones en el diamante. Los fonones son movimientos ondulatorios de átomos en una red, algo así como las ondas de sonido en el aire, y se producen en todos los sólidos. Pero en el diamante, la rigidez de la red significa que los fonones tienen frecuencias y energía muy altas, y por lo tanto  habitualmente no activos, incluso a temperatura ambiente.

Los investigadores utilizaron un pulso láser para estimular las vibraciones de fonones en dos cristales de tres milímetros de ancho y a 15 centímetros de distancia. Cada fonón implica la vibración coherente de unos 10^16 átomos, que corresponde a una región del cristal de 0.05 milímetros de ancho y 0.25 milímetros de largo – lo suficientemente grande como para verla a simple vista.

Hay tres condiciones esenciales que se deben cumplir para obtener los fonones entrelazados en los dos cristales de diamante. En primer lugar, un fonón debe ser excitado con un solo fotón de la corriente de fotones del láser. En segundo lugar, este fotón debe ser enviado a través de un «divisor de haz» que lo dirige a un cristal o al otro. Si la ruta no es detectada, entonces el fotón puede ser considerado en ambos sentidos a la vez: está en una superposición de  trayectorias. El fonón resultante se entrelaza demasiado en una superposición. La tercera condición es que el fotón debe convertir parte de su energía en un fotón de menor energía, denominada fotón Stokes, que indica la presencia de los fonones.

«Cuando se detecta el fotón Stokes sabemos que hemos creado un fonón, pero no podemos saber ni siquiera en principio en que diamante se encuentra», dice Walmsley. «Este es el estado entrelazado, para el que la declaración: este diamante está vibrando,   este diamante no está vibrando es verdadera».

Para verificar que el estado se ha logrado, los investigadores lanzan un segundo pulso  láser a los dos cristales para ‘extraer’ los fonones, de los que el fotón láser extrae energía adicional. Todas las condiciones necesarias se cumplen muy pocas veces durante el experimento. «Tienen que realizar un número astronómico de intentos de obtener un número muy limitado de resultados deseados», dice Cleland.

Duda de que habrá alguna aplicación inmediata de la técnica, en parte porque la relación es muy corta. «No estoy seguro de que esto va a salir de aquí», dijo Cleland. «No puedo pensar en un uso particular de entrelazamientos que duran sólo unos pocos picosegundos» (10^-12 segundos).

Pero Walmsley es más optimista. «El diamante podría ser la base de una poderosa tecnología para el procesamiento de información cuántica práctica», dice. «Las propiedades ópticas del diamante hacen que sea ideal para la producción de pequeños circuitos ópticos en los chips.»

Actualidad Informática. Entrelazamiento cuántico en diamantes. Rafael Barzanallana

Fuente:  Lee, K. C. et al. Science 334, 1253–1256 (2011)

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