Einstein se encuentra con Newton: Científicos demuestran un nuevo aspecto de la dualidad onda-partícula
Un experimento de la Universidad de Linköping ha validado una teoría que integra la mecánica cuántica con la teoría de la información. Este estudio ilumina el papel de la incertidumbre cuántica en tecnologías futuras como la computación cuántica y las comunicaciones seguras.
El experimento de la Universidad de Linköping confirma un vínculo teórico clave entre la mecánica cuántica y la teoría de la información, destacando las implicaciones futuras para la tecnología cuántica y la comunicación segura.
Investigadores de la Universidad de Linköping y sus colaboradores han confirmado con éxito una teoría de una década que vincula el principio de complementariedad, un concepto fundamental en la mecánica cuántica, con la teoría de la información. Su estudio, publicado en la revista Science Advances, proporciona información valiosa para comprender la futura comunicación cuántica, la metrología y la criptografía.
“Nuestros resultados no tienen una aplicación clara o directa en este momento. Es una investigación básica que sienta las bases para las tecnologías futuras en información cuántica y computadoras cuánticas. Existe un enorme potencial para descubrimientos completamente nuevos en muchos campos de investigación diferentes”, dice Guilherme B Xavier, investigador en comunicación cuántica en la Universidad de Linköping, Suecia.
Contexto histórico de la dualidad onda-partícula
Para comprender lo que han demostrado los investigadores, debemos comenzar desde el principio. Que la luz pueda ser tanto partículas como ondas es una de las características más ilógicas, pero al mismo tiempo fundamentales, de la mecánica cuántica. Esto se llama dualidad onda-partícula.
La teoría se remonta al siglo XVII, cuando Isaac Newton sugirió que la luz está compuesta de partículas. Otros estudiosos contemporáneos creían que la luz consistía en ondas. Newton finalmente sugirió que podría ser ambas cosas sin poder probarlo.
En el siglo XIX, varios físicos realizaron varios experimentos que demostraron que la luz en realidad consistía en ondas. Sin embargo, a principios del siglo XX, tanto Max Planck como Albert Einstein desafiaron la teoría de que la luz son solo ondas. Sin embargo, no fue hasta la década de 1920 que el físico Arthur Compton pudo demostrar que la luz también tenía energía cinética, una propiedad clásica de las partículas. Las partículas fueron llamadas fotones. Por lo tanto, se concluyó que la luz puede ser tanto partículas como ondas, exactamente como sugirió Newton. Los electrones y otras partículas elementales también exhiben esta dualidad onda-partícula.
El principio de complementariedad y la incertidumbre entrópica
Sin embargo, no es posible medir el mismo fotón en forma de onda y partícula. Dependiendo de cómo se mida el fotón, se ven ondas o partículas. Esto se conoce como el principio de complementariedad, que fue desarrollado por Niels Bohr a mediados de la década de 1920. Establece que no importa lo que uno decida medir, la combinación de características de onda y partícula debe ser constante.
En 2014, un equipo de investigación de Singapur demostró matemáticamente una conexión directa entre el principio de complementariedad y el grado de información desconocida en un sistema cuántico, la llamada incertidumbre entrópica. Esta conexión significa que no importa qué combinación de características de onda o partícula de un sistema cuántico se observe, la cantidad de información desconocida es al menos un bit de información, es decir, la onda o partícula no medible.
Confirmación experimental de la Universidad de Linköping
Investigadores de la Universidad de Linköping, junto con colegas de Polonia y Chile, ahora han confirmado la teoría de los investigadores de Singapur en la realidad con la ayuda de un nuevo tipo de experimento.
“Desde nuestra perspectiva, es una forma muy directa de mostrar el comportamiento mecánico cuántico básico. Es un ejemplo típico de física cuántica donde podemos ver los resultados, pero no podemos visualizar lo que está sucediendo dentro del experimento. Y, sin embargo, se puede utilizar para aplicaciones prácticas. Es muy fascinante y casi roza la filosofía”, dice Guilherme B Xavier.
En su nueva configuración experimental, los investigadores de Linköping utilizaron fotones que se movían hacia adelante en un movimiento circular, llamado momento angular orbital, a diferencia del movimiento oscilante más común, que es hacia arriba y hacia abajo. La elección del momento angular orbital permite futuras aplicaciones prácticas del experimento porque puede contener más información.
Las mediciones se realizan en un instrumento comúnmente utilizado en la investigación llamado interferómetro, donde los fotones se disparan a un cristal (divisor de haz) que divide la trayectoria de los fotones en dos nuevas trayectorias, que luego se reflejan para cruzarse entre sí en un segundo divisor de haz y luego se miden como partículas u ondas dependiendo del estado de este segundo dispositivo.
Una de las cosas que hace que esta configuración experimental sea especial es que el segundo divisor de haz puede ser insertado parcialmente por los investigadores en la trayectoria de la luz. Esto permite medir la luz como ondas, partículas o una combinación de ellas en la misma configuración.
Según los investigadores, los hallazgos podrían tener muchas aplicaciones futuras en comunicación cuántica, metrología y criptografía. Pero también hay mucho más por explorar a nivel básico.
“En nuestro próximo experimento, queremos observar el comportamiento del fotón si cambiamos la configuración del segundo cristal justo antes de que el fotón lo alcance. Demostraría que podemos usar esta configuración experimental en la comunicación para distribuir de forma segura claves de cifrado, lo cual es muy emocionante”, dice Daniel Spegel-Lexne, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica.
Implicaciones para el futuro
Este experimento no solo confirma una teoría importante que une la mecánica cuántica y la teoría de la información, sino que también abre nuevas vías para la investigación y el desarrollo de tecnologías cuánticas. La capacidad de controlar y medir la dualidad onda-partícula con mayor precisión podría tener un impacto significativo en áreas como la computación cuántica, donde la manipulación de estados cuánticos es esencial. Además, la comprensión de la incertidumbre entrópica podría mejorar la seguridad de las comunicaciones cuánticas, haciendo posible el desarrollo de sistemas de cifrado más robustos.
La investigación en este campo está en constante evolución, y este experimento representa un paso importante hacia la comprensión y el aprovechamiento del poder de la mecánica cuántica. A medida que se realizan más investigaciones, podemos esperar ver avances aún más emocionantes en el futuro.
