Con un nuevo experimento, investigadores de la Universidad de Linköping, entre otros, lograron confirmar un estudio teórico de diez años de antigüedad que conecta uno de los aspectos más fundamentales de la mecánica cuántica, el principio de complementariedad, con la teoría de la información. . Su investigación se publica en la revista Science Advances y proporciona una pieza del rompecabezas para comprender las comunicaciones, la metrología y la criptografía cuánticas del futuro.
“Nuestros resultados no tienen aplicaciones obvias o directas en este momento. Se trata de una investigación fundamental que sienta las bases para futuras tecnologías en información cuántica y computadoras cuánticas. Existe un gran potencial para descubrimientos completamente nuevos en diversas áreas de investigación”, afirmó Guilherme B. Xavier, investigador sobre comunicación cuántica en la Universidad de Linköping, Suecia.
Pero para comprender lo que han demostrado los investigadores, hay que empezar por el principio.
Que la luz pueda ser tanto una partícula como una onda es una de las propiedades más absurdas, 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 estaba formada por partículas. Otros estudiosos contemporáneos creían que la luz estaba formada por ondas. Newton finalmente sugirió que podrían ser ambas cosas, sin poder demostrarlo. En el siglo XIX, varios físicos demostraron mediante diversos experimentos que la luz en realidad está compuesta de ondas.
Pero a principios del siglo XX, tanto Max Planck como Albert Einstein cuestionaron la teoría de que la luz son sólo ondas. Sin embargo, no fue hasta la década de 1920 que el físico Arthur Compton demostró que la luz también tiene energía cinética, una propiedad de las partículas clásicas. Las partículas se llamaron fotones. Así, se concluyó que la luz podía ser tanto partículas como ondas, tal como había sugerido Newton. Los electrones y otras partículas elementales también exhiben esta dualidad onda-partícula.
Pero no es posible medir el mismo fotón como una onda y una partícula. Dependiendo de cómo se miden los fotones, se ven ondas o partículas. Esto se conoce como principio de complementariedad y fue desarrollado por Niels Bohr a mediados de la década de 1920. Dice que no importa lo que uno decida medir, la combinación de propiedades de ondas y partículas 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 los sistemas cuánticos, la llamada incertidumbre entrópica. Esta conexión significa que cualquiera que sea la combinación de propiedades de onda o partícula de un sistema cuántico, la cantidad de información desconocida es al menos un bit de información, es decir, la onda o partícula mensurable.
Investigadores de la Universidad de Linköping, junto con colegas de Polonia y Chile, han logrado confirmar la teoría de los investigadores de Singapur con un nuevo tipo de experimento.
“Desde nuestro punto de vista, esta es una forma muy directa de mostrar el comportamiento de la mecánica cuántica fundamental. Es un ejemplo típico de física cuántica donde podemos ver los resultados, pero no podemos imaginar lo que sucede dentro del experimento. Y, sin embargo, se puede utilizar en aplicaciones prácticas muy impresionantes y casi rozando la filosofía”, afirmó Guilherme B. Xavier.
En su nueva configuración experimental, los investigadores de Linköping utilizaron fotones que se movían 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 aplicaciones prácticas en experimentos futuros, ya que puede contener más información.
Las mediciones se realizan en un instrumento comúnmente utilizado en la investigación, llamado interferómetro, donde se disparan fotones contra un cristal (divisor de haz) que divide la trayectoria del fotón en dos nuevas trayectorias, que se reflejan para cruzarse. 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 de prueba sea especial es que los investigadores pueden insertar parcialmente el segundo divisor de haz en el camino de la luz. Esto hace posible medir la luz como ondas, partículas o combinaciones de ellas en la misma configuración.
Según los investigadores, los resultados podrían tener muchas aplicaciones futuras en comunicación cuántica, metrología y criptografía. Pero hay mucho más por explorar a un nivel fundamental.
“En nuestro próximo experimento, queremos observar el comportamiento del fotón si cambiamos la configuración del segundo cristal justo antes de que llegue el fotón. Esto demostrará que podemos usar esta configuración experimental en la comunicación para distribuir de forma segura claves de cifrado. Lo cual es muy emocionante”, afirma Daniel Spegel. -Lexon, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica.