Simulaciones miden en attosegundos el entrelazamiento cuántico

Simulaciones por ordenador han permitido averiguar cómo se produce el entrelazamiento cuántico en una escala de tiempo de attosegundos, e investigar los efectos físicos en el desarrollo de estos procesos.

Un attosegundo es una milmillonésima de milmillonésima de segundo.

La teoría cuántica describe fenómenos que tienen lugar en escalas de tiempo extremadamente cortas. En el pasado, estos fenómenos se consideraban 'momentáneos' o 'instantáneos': un electrón orbita alrededor del núcleo de un átomo y, al instante siguiente, es arrancado de repente por un destello de luz. Dos partículas chocan y, al instante siguiente, se 'entrelazan cuánticamente'.

Sin embargo, hoy en día es posible investigar el desarrollo temporal de estos efectos casi 'instantáneos'. Junto con equipos de investigadores de China, la TU Wien (Viena) ha desarrollado simulaciones por ordenador que permiten simular estos procesos.

Los resultados se han publicado ahora en la revista Physical Review Letters.

Si dos partículas están entrelazadas cuánticamente, no tiene sentido describirlas por separado. Incluso si se conoce perfectamente el estado de este sistema de dos partículas, no se puede hacer una afirmación clara sobre el estado de una sola partícula.

"Se podría decir que las partículas no tienen propiedades individuales, sino que sólo tienen propiedades comunes. Desde un punto de vista matemático, están estrechamente relacionadas, incluso si se encuentran en dos lugares completamente diferentes", explica en un comunicado el profesor Joachim Burgdörfer, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena.

En los experimentos con partículas cuánticas entrelazadas, los científicos suelen estar interesados en mantener este entrelazamiento cuántico durante el mayor tiempo posible, por ejemplo, si quieren utilizar el entrelazamiento cuántico para la criptografía cuántica o para los ordenadores cuánticos.

"A nosotros, en cambio, nos interesa otra cosa: averiguar cómo se desarrolla este entrelazamiento en primer lugar y qué efectos físicos influyen en escalas de tiempo extremadamente cortas", explica la profesora Iva Brezinová, una de las autoras de la publicación actual.

Los investigadores analizaron átomos que fueron alcanzados por un pulso láser extremadamente intenso y de alta frecuencia. Un electrón es arrancado del átomo y sale volando. Si la radiación es lo suficientemente intensa, es posible que un segundo electrón del átomo también se vea afectado: puede pasar a un estado con mayor energía y luego orbitar alrededor del núcleo atómico por una trayectoria diferente.

De este modo, después del pulso láser, un electrón sale volando y otro se queda en el átomo con una energía desconocida. "Podemos demostrar que estos dos electrones están entrelazados cuánticamente", dice Burgdörfer. "Sólo se pueden analizar juntos, y se puede realizar una medición en uno de los electrones y aprender algo sobre el otro electrón al mismo tiempo".

El equipo de investigación ha podido demostrar ahora, utilizando un protocolo de medición adecuado que combina dos rayos láser diferentes, que es posible lograr una situación en la que el "momento de nacimiento" del electrón que sale volando, es decir, el momento en que abandona el átomo, esté relacionado con el estado del electrón que se queda atrás. Estas dos propiedades están entrelazadas cuánticamente.

"Esto significa que, en principio, no se conoce el momento de nacimiento del electrón que se ha ido. Se podría decir que el propio electrón no sabe cuándo ha salido del átomo", explica Burgdörfer. "Se encuentra en una superposición físico-cuántica de diferentes estados. Ha salido del átomo tanto en un momento anterior como en uno posterior".

No se puede decir en qué momento "realmente" se encontraba; la respuesta "real" a esta pregunta simplemente no existe en la física cuántica. Pero la respuesta está vinculada física-cuánticamente al estado (también indeterminado) del electrón que permanece en el átomo. Si el electrón restante se encuentra en un estado de mayor energía, es más probable que el electrón que se ha ido haya sido arrancado en un momento anterior; si el electrón restante se encuentra en un estado de menor energía, es probable que el "momento de nacimiento" del electrón libre que se ha ido haya sido posterior: en promedio, unos 232 attosegundos.

Se trata de un período de tiempo casi inimaginablemente corto: un attosegundo es una milmillonésima de milmillonésima de segundo. "Pero estas diferencias no sólo se pueden calcular, sino que también se pueden medir experimentalmente", afirma Burgdörfer. "Ya estamos en conversaciones con equipos de investigación que quieren demostrar que existen entrelazamientos tan rápidos".

El trabajo demuestra que no basta con considerar los efectos cuánticos como "instantáneos". Las correlaciones importantes sólo se hacen visibles cuando se consigue resolver las escalas de tiempo ultracortas de estos efectos.

"El electrón no sale del átomo así como así, sino que se trata de una onda que se desprende del átomo, por así decirlo, y eso requiere un tiempo determinado", explica Brezinová. "Es precisamente durante esta fase cuando se produce el entrelazamiento, cuyo efecto se puede medir con precisión más tarde observando los dos electrones".