Un experimento demuestra la acción fantasmal cuántica con cúbits superconductores separados 30 metros

El físico James Trefil decía que la mecánica cuántica es una “región del universo donde el cerebro humano, simplemente, no puede sentirse cómodo”. Y esta incomodidad viene dada porque la naturaleza, a escala microscópica, responde a leyes que desafían nuestra comprensión de la realidad macroscópica. Entre estos comportamientos están la superposición (una partícula puede estar en diferentes estados a la vez, como el gato vivo y muerto de Erwin Schrödinger) y el entrelazamiento a distancia o acción fantasmal, como describió Albert Einstein el principio que permite que las partículas separadas y alejadas respondan de forma instantánea y se comporten como un solo sistema. Un espectacular experimento que desafía la velocidad de la luz, publicado este miércoles en Nature por un equipo internacional de científicos, liderado por el ETH (Instituto Federal Suizo de Tecnología) en Zúrich, con colaboración de las entidades españolas ICFO (Instituto de Ciencias Fotónicas) y Quside, demuestra por primera vez esta acción fantasmal en electrones separados 30 metros y con circuitos superconductores, los sistemas más habituales en computación cuántica.

Este experimento vuelve a contradecir a Einstein, quien consideró imposible el entrelazamiento cuántico. El físico defendió que cada partícula tiene unas propiedades determinadas en su entorno, que una acción sobre la misma se genera en un lugar determinado y sus consecuencias se transfieren (localismo). Frente a esta teoría, la física cuántica ha demostrado que dos partículas entrelazadas comparten un solo estado unificado, aunque, como en el caso del experimento en Zúrich, estén separadas 30 metros.

Para Einstein, era completamente inaceptable que algo que se hace en un lugar determinado tenga efecto instantáneo en otro sitio. Pero John Bell demostró en 1964 que sí sucede, que existe el entrelazamiento cuántico. Desde entonces, se han sucedido los experimentos sobre esta propiedad y los hallazgos en este campo de John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger les valieron el premio Nobel en 2022.

Uno de los mayores logros del experimento publicado este miércoles es que se ha ejecutado una prueba del teorema (o desigualdades) de Bell sin loopholes, un término inglés que en física cuántica se traduce como escapatorias. Esta ausencia de escapatorias se refiere a que todo sucede exactamente como predice la física cuántica, que no ha sido posible una comunicación entre partículas ni responde a una mera estadística.

Un experimento en el que participó el físico español Adán Cabello, de la Universidad de Sevilla, consiguió resultados en esta línea con iones de iterbio y bario (Science Advances) hace un año. Pero la reciente investigación eleva la complejidad al usar dos cúbits superconductores entrelazados a temperaturas cercanas al cero absoluto (−273,15 °C) y separados 30 metros.

Desafiando la velocidad de la luz

Las mediciones simultáneas de los dos cúbits arrojaron resultados coincidentes sobre el estado, una respuesta sincronizada consistente con una acción fantasmal a distancia o entrelazamiento. Para demostrar la ausencia de escapatorias, que la coordinación de estados no se debía a señales enviadas entre los cúbits, se realizaron mediciones aleatorias en 17 nanosegundos, el tiempo que tarda la luz en recorrer cinco metros. La medición completa requería otros 62 nanosegundos (el tiempo de la luz en alcanzar 21 metros). Al estar los dos sistemas alejados 30 metros, era imposible la comunicación entre ellos.

La investigación es clave no solo porque es una demostración de la física cuántica, sino porque tiene aplicaciones prácticas. Morgan W. Mitchell, profesor de la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) en ICFO y coautor del estudio, explica que, “con los ordenadores clásicos, es común que haya computación en la web y que los resultados lleguen al dispositivo de tu casa”. “Para hacer algo equivalente con ordenadores cuánticos”, añade, “necesitamos comunicarlos y no será por bits clásicos. Tiene que ser por bits cuánticos y este entrelazamiento es la manera más eficaz de hacerlo”.

“Esta investigación demuestra que este tipo de experimentos se puede hacer con superconductores, los sistemas que utiliza Google o IBM. Otros sistemas que se han usado eran con un par de partículas. Pero este experimento ha creado un entrelazamiento entre un gran número de electrones en este sitio y un gran número de electrones en otro sitio. Es la primera vez que se consigue esto sin escapatorias”.

Aplicaciones

Los resultados permiten, según Mitchell, “avanzar en la computación distribuida, con varios ordenadores en varios sitios”. “Es un objetivo a largo plazo que no vamos a ver inmediatamente, pero este experimento demuestra que es factible”, concluye.

Carlos Abellán, coautor de la investigación, doctor en fotónica por el ICFO y cofundador y director ejecutivo de Quside (una empresa de componentes cuánticos que se han usado en el experimento), destaca que, además del salto cualitativo en la demostración experimental al elevar los sistemas a cúbits superconductores, el trabajo ha supuesto “crear una tecnología espectacular y única que ha conseguido demostrar la sincronización de dos partículas con una rapidez sin precedentes.”

El experimento ha necesitado de la generación de números aleatorios cuánticos (QRNG) y su “extracción” a una velocidad extraordinariamente rápida (17 nanosegundos) para descartar cualquier posibilidad de comunicación entre los cúbits. “Tuvimos que desarrollar una ingeniería totalmente nueva para poder generar los números aleatorios de tal manera que pudiéramos hacerlo antes de que la información llegara al otro lado. Necesitábamos doblar la velocidad de los sistemas utilizados antes”, explica Abellán.

“Lo que hicimos fue, en vez de utilizar un dispositivo y hacer cálculos, poner ocho dispositivos en paralelo sincronizados y combinamos la señal. De esta manera, usamos 16 generadores de números aleatorios y conseguimos doblar la velocidad. Si hubiéramos tardado 19 nanosegundos en vez de 17, el experimento no hubiera tenido validez”, añade.

El experimento prueba que la información cuántica puede transmitirse entre circuitos superconductores separados y alojados en sistemas criogénicos, es decir, que se demuestra que sucede y en sistemas ya disponibles para computación cuántica. Pero aún queda por explicar por qué ocurre, por qué dos sistemas separados se comportan como si fueran uno. “Es una cuestión para la filosofía, muy difícil. Puedes preguntar a 10 físicos distintos y vas a tener 10 respuestas diferentes. Es un misterio que tendrán que resolver otras generaciones. Pero lo que podemos decir con estos experimentos es que realmente existe”, afirma Mitchell.

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