La teoría cuántica describe eventos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortas. En el pasado, tales eventos se consideraban “temporales” o “instantáneos”: un electrón orbita el núcleo de un átomo y al momento siguiente explota en un repentino destello de luz. Dos partículas chocan y al momento siguiente quedan repentinamente “entrelazadas cuánticamente”.
Hoy en día, sin embargo, se puede investigar el desarrollo temporal de estos efectos casi “instantáneos”. Junto con equipos de investigación de China, la TU Wien (Viena) ha desarrollado simulaciones por ordenador que pueden utilizarse para simular procesos ultrarrápidos. Esto permite determinar cómo se produce el entrelazamiento cuántico en una escala de tiempo de attosegundos. Los resultados ahora han sido publicados en la revista. “Cartas de revisión física”.
Dos partículas, un objeto cuántico
Si dos partículas están entrelazadas cuánticamente, no tiene sentido describirlas por separado. Incluso si conocemos muy bien el estado de este sistema de dos partículas, no podemos hacer una afirmación definitiva sobre el estado de una sola partícula. “Se puede decir que las partículas no tienen propiedades individuales, sólo propiedades compartidas. Desde el punto de vista matemático, están fuertemente relacionadas entre sí, incluso si se encuentran en dos lugares completamente diferentes”, explica el Prof. Joachim Bergdorfer. Gesto de desaprobación. Física Teórica en TU Wen.
En los experimentos con partículas cuánticas entrelazadas, los científicos suelen estar interesados en mantener el entrelazamiento cuántico el mayor tiempo posible; por ejemplo, si quieren utilizar el entrelazamiento cuántico para la criptografía cuántica o las computadoras cuánticas. “Por otro lado, nos interesa otra cosa: descubrir cómo se desarrolla este entrelazamiento y qué efectos físicos influyen en escalas de tiempo muy cortas”, dice la profesora Iva Březinová, una de las autoras. de la publicación actual.
Un electrón se escapa, un átomo se queda con él.
Los investigadores observaron átomos que habían sido alcanzados por pulsos láser muy intensos y de alta frecuencia. Un electrón es arrancado del átomo y se va volando. Si la radiación es lo suficientemente fuerte, es posible que el segundo electrón del átomo se vea afectado: puede moverse a un estado de mayor energía y luego orbitar el núcleo del átomo en una trayectoria diferente.
Así, tras el impulso láser, un electrón sale volando y permanece junto al átomo con una energía desconocida. “Podemos demostrar que estos dos electrones están ahora entrelazados cuánticamente”, afirma Joachim Bergdorfer. “Puedes analizarlos juntos, y puedes hacer una medición en un electrón y aprender algo sobre el otro electrón al mismo tiempo”.
El propio electrón no sabe cuándo nació.
El equipo de investigación ha podido demostrar ahora, utilizando un protocolo de medición adecuado, que combinando dos rayos láser diferentes es posible lograr una situación en la que se elimina el “momento de nacimiento” del electrón, es decir, el momento en que abandona el átomo. . , está relacionado con el estado del electrón que queda atrás. Estas dos propiedades están entrelazadas cuánticamente.
“Esto significa que, en principio, se desconoce el momento de nacimiento del electrón que vuela. Se puede decir que el propio electrón no sabe cuándo abandonó el átomo”, afirma Joachim Bergdorfer. “Se produce en la superposición físico-cuántica de diferentes estados. Sale del átomo antes y después”.
No se puede responder en qué momento fue esto “realmente”; la respuesta “real” a esta pregunta no existe sólo en la física cuántica. Pero la respuesta está ligada físicamente al estado del átomo del electrón restante, que es indeterminado: si el electrón restante está en un estado de mayor energía, el electrón que se ha escapado tiene más probabilidades de explotar. en un momento inicial en el tiempo; Si el electrón restante está en un estado de menor energía, el “tiempo de nacimiento” del electrón libre que se fue probablemente fue más tarde: 232 attosegundos en promedio.
Se trata de un tiempo casi inimaginablemente corto: un attosegundo es una milmillonésima de milmillonésima de segundo. “Sin embargo, estas diferencias no sólo pueden calcularse, sino también medirse experimentalmente”, afirma Joachim Bergdorfer. “Ya estamos en conversaciones con equipos de investigación que quieren probar este tipo de entrelazamiento ultrarrápido”.
La estructura temporal de los acontecimientos “inmediatos”
El trabajo muestra que tratar los efectos cuánticos como “instantáneos” no es suficiente: las correlaciones significativas sólo aparecen cuando se logra resolver las escalas de tiempo muy cortas de estos efectos. “El electrón no simplemente salta del átomo. Es una onda que sale del átomo, por así decirlo, y tarda un cierto tiempo”, dice Iva Březinová. “Es precisamente durante esta fase cuando se produce el entrelazamiento, cuyo efecto puede medirse posteriormente con precisión observando los dos electrones”.
