Entrelazamiento cuántico entre diamantes

En este artículo comentamos un experimento reciente que ha puesto de manifiesto la extraña propiedad de la mecánica cuántica denominada entrelazamiento cuántico. La novedad radica en el uso de objetos macroscópicos, diamantes artificiales, que hasta ahora no se ha utilizado en experimentos de este tipo. Repasamos primero dos conceptos básicos antes de describir el experimento.

Entrelazamiento cuántico

En mecánica cuántica se dice que dos o más partículas estan entrelazadas cuando las propiedades individuales de cada partícula dependen de las demás, incluso si estan separadas por grandes distáncias. 

 Si dos partículas estan entrelazadas implica que debemos aceptar que hayan interacciones a distancias arbitrarias entre partículas cuánticas, y estas interacciones han de ser instantáneas. Para entender la implicación de esta afirmación, supongamos que dos partículas que forman un sistema con función de onda w(A,B) que tienen entrelazamiento cuántico empiezan a separarse una de otra a toda velocidad, y eventualmente llegan a estar separadas por kilómetros de distancia; a pesar de ello, siguen formando un sistema entrelazado, de tal manera que ciertas mediciones efectuadas en una de las partículas, ¡afectaran instantáneamente a la otra! Esto será así independientemente de la distancia que las separa. Este hecho fue confirmado por Alain Aspect en una serie de experimentos.

Fonones

Modelo de estructura cristalina enlazada.

Veamos una breve introducción a la Física del estado sólido, concretamente a las estructuras cristalinas, como la de la sal común, o la del diamante. Podemos imaginar que cada molécula del cristal está unida a las otras por un muelle que permite a la molécula realizar un movimiento vibratorio. Este muelle representa las fuerzas moleculares reales en el cristal.

Debido a que todas las moléculas estan unidas entre si formando una estructura geométrica (cúbica en el caso de la figura), si perturbamos cualquier molécula dándole un impulso para que oscile, la perturbación se propagará a toda la estructura.

Cuando dicha perturbación es muy pequeña, entramos en el terreno de la Física Cuántica, que establece restricciones a las perturbaciones: han de ser cuantizadas, esto es, existen unas frecuéncias de vibración permitidas, fundamentales. Además, se puede asociar a cada perturbación cuántica una pseudopartícula portadora de fuerza: el fonón. La idea es la misma que la del fotón, que es el mínimo de energia lumínica en la que podemos descomponer la luz. Pues bien, el fonón es la mínima energía vibratoria en la que podemos descomponer la perturbación introducida en la red. Cuando la perturbación se extiende por la red, podemos visualizar fonones viajando por la red, distribuyendo la energía entre las moléculas. Técnicamente, podemos decir que los fonones como partículas son bosones (partículas portadoras de fuerza) que poseen espín cero.

Entrelazamiento de fonones en diamantes

En diciembre del 2011 Ian Walmsley publicó un artículo en la revista Science, Entangling macroscopic diamonds at room temperature, en la que detalla un montaje experimental que pone de manifiesto el entrelazamiento cuántico entre dos diamantes usando fonones. Hasta ahora, los experimentos siempre han usado objetos microscópicos a bajas temperaturas para detectar el entrelazamiento, el experimento de Walmsley es el primero en usar objetos macroscópicos a temperatura ambiente. 

Walmsley dividió en dos un haz de luz láser, de modo que cada mitad iluminaba un diamante sintético de unos tres milímetros de longitud. Usando las partículas cuánticas para modelizar el experimento, es equivalente a decir que fotones de luz láser escogen una ruta o la otra al llegar al divisor de haz, inciden en uno de los dos diamantes, le comunican parte de su energía (chocando con alguna molécula de la estructura cristalina) y se dispersan, siendo recogidos por un detector. La energia liberada por el fotón produce un fonón en el diamante; por tanto, por cada fotón que llega al detector, sabemos que se ha producido un fonón.

Ahora bien, segun el principio de incertidumbre, y tal como se ha llevado a cabo el experimento, resulta imposible saber en cuál de los diamantes se genera el fonón. De hecho, según la Mecánica Cuántica, el fonón no está confinado en ninguno de los diamantes, sino que está "compartido" por los dos, de forma que ambos diamantes forman un único sistema cuántico entrelazado. La distancia de separación entre las gemas en este experimento fue de unos quince centímetros. Sólo si efectuamos una medición en los diamantes para determinar dónde está el fonón, provocaremos el "colapso de la función de onda" forzando al fonón a manifestarse  en uno de los diamantes.