El blog de Antares

KFC* en su blog afirma que un nuevo artículo en arXiv “ha descubierto el codiciado vínculo entre las teorías de la mecánica cuántica y de la relatividad general”. Bee* en su blog nos recuerda que aún no se ha logrado; el vínculo encontrado según KFC es conocido desde hace 30 años y no hay nada novedoso en el nuevo artículo del joven físico David Edward Bruschi (Universidad Hebrea de Jerusalén, Israel). Quizás conviene que le echemos un vistazo al artículo, pues la relación entre el entrelazamiento cuántico y la gravedad es un tema de gran actualidad.

El artículo en liza es David Edward Bruschi (un guapo joven, según Bee), “On the weight of entanglement,” arXiv:1412.4007 [quant-ph]; el formato indica que debe haber sido enviado a revisión a Physical Review Letters; según Bee debería ser rechazado por falta de novedad (pero no sé si los revisores leerán el blog de Bee, por fortuna para David).

En un lado del ring tenemos a KFC, “Entanglement Makes Quantum Particles Measurably Heavier, Says Quantum Theorist. The discovery is a long sought-after link between the theories of quantum mechanics and general relativity,” The Physics arXiv Blog, 05 Jan 2015. Y en otro lado del ring a Bee, “No, the “long sought-after link between the theories of quantum mechanics and general relativity” has not been found,” Backreaction, 28 Jan 2015.

KFC* es un bloguero anónimo muy famoso que firma como Kentucky Fried Chicken.

Bee* es la famosa bloguera y doctora en física Sabine Hossenfelder @skdh.




En una esquina del ring tenemos a KFC. Permíteme un resumen de lo que dice sobre el nuevo trabajo de Bruschi. El entrelazamiento cuántico tiene un efecto real y medible en un campo gravitatorio. Una partícula puede estar en dos lugares del espacio al mismo tiempo. El estado cuántico de la partícula se encuentra entre dos posibilidades extremas. Por un lado, un estado mezcla maximal, en cuyo caso no afecta a la gravedad. Y por otro lado, un estado de entrelazamiento máximo entre ambas posiciones, en cuyo caso influye en la gravedad y la partícula se porta como si su peso hubiera crecido.

El incremento en la masa es muy pequeño. Para un electrón en un estado de entrelazamiento máximo su masa crece en una parte en 1037. Un valor increíblemente pequeño. Sin embargo, puede ser amplificado para permitir su medida. Por ejemplo, usando partículas con mucha masa que se muevan a velocidad ultrarrelativista. O usando grupos de partículas entrelazadas, los llamados estados NooN (ya hay experimentos con estados NooN para 5 fotones y nada impide que puedan llegar a existir para cientos de electrones).

Lo importante según KFC no es que el efecto se pueda medir hoy en día. Lo importante es que se trata de una predicción que se pude estudiar de forma experimental.


En el otro lado del ring tenemos a Bee, permíteme un resumen de lo que dice sobre el nuevo trabajo de Bruschi. Comienza fuerte: “Por desgracia, el artículo es en gran parte erróneo y lo que no es erróneo no es novedoso.” Un resultado bien conocido es que las partículas cuánticas están sometidas a los campos gravitatorios y que si se encuentran en un estado de superposición también lo estarán los correspondientes estados del campo gravitatorio. Se trata de una consecuencia de la ecuación de Schrödinger-Newton (introducida por Remo Ruffini y Silvano Bonazzola en1969). El problema es que la gravedad es muy débil, pero muy débil, y no se puede medir el efecto de la gravedad en un átomo o en un electrón.

Según Bee, el mayor problema del trabajo de Bruschi es que usa una aproximación semiclásica a la gravedad. Usa los valores esperados para el tensor energía-momento del campo en un espaciotiempo fijo. No discute los problemas asociados a esta aproximación (Bee se autocita) o a la ecuación de Schrödinger-Newton (otra autocita). En rigor habría que usar los operadores cuánticos. Según Bee en los cálculos del artículo de Bruschi la aproximación semiclásica no es aplicable; algo que se sabe desde hace 30 años. Bee cita a L.H. Ford, “Quantum Field Theory in Curved Spacetime,” arXiv:gr-qc/9707062, 1997, quien habla del tema en relación a la retrorreacción (backreaction) de la radiación de Hawking (tema en el que ha investigado Bee y del que proviene el nombre de su blog).

Ford discute en la página 34 de su artículo que el mayor problema de la aproximación semiclásica es que las ecuaciones diferenciales que se obtienen para la métrica son de cuarto orden. Este problema es similar al que aparece cuando se aplica la aproximación semiclásica a un electrón en órbita alrededor de un núcleo en un átomo, el electrón radia y cae hacia el núcleo; para evitar este fenómeno semiclásico hay que recurrir a una teoría cuántica, más allá de la aproximación semiclásica. Otro problema es que el cálculo semiclásico aplicada a estados en superposición conduce a una expresión matemática divergente para la amplitud de las fluctuaciones cuánticas de la métrica; por tanto, como mínimo son comparables a la amplitud del cambio en el campo gravitatorio (Δ ∼ 1) y son imposibles de medir usando un gravímetro en un laboratorio.


Bruschi evita estos problemas usando la aproximación semiclásica en el límite no relativista, es decir, el límite en el que se aplica la ecuación de Schrödinger-Newton. Sin embargo, este límite es incorrecto en el contexto relativista que se aplica en el artículo. Según Bee, la juventud del autor es la razón de su desconocimiento de los trabajos físicos desarrollados hace 30 años. Más aún, su afirmación de que el efecto gravitatorio es medible es incorrecta. Los efectos gravitatorios cuánticos pueden ser medibles en principio (al fin y al cabo se trata de una teoría física), pero la propuesta de Bruschi no es el camino. En su artículo agradece a Jacob Bekenstein la ayuda prestada. Según Bee no debe haber leído el artículo, pues ya realizó estos cálculos hace más de 30 años y debería haber advertido a Bruschi de sus errores de concepto.

Bee no dice que el artículo sea malo per se. Podría haber sido un artículo interesante si se hubiera escrito hace 30 años. Pero hoy en día está obsoleto. El autor debe estudiar la bibliografía clásica sobre el campo en lugar de ponerse a reinventar la rueda.


Y para acabar hay que leer el artículo de Bruschi (bueno, lo confieso, lo primero que he hecho ha sido leerlo). En la introducción afirma que el entrelazamiento cuántico es una correlación´que no se sabe si interacciona con la gravedad (“Quantum entanglement is a type of correlation that, to date, is not known to interact with gravity”). Obviamente se refiere a nivel experimental, pues a nivel teórico nadie lo duda desde los primeros trabajos de Einstein (1935).

Bruschi considera un campo escalar con masa, descrito por la ecuación de Klein-Gordon, en un espaciotiempo curvo descrito por una métrica esencialmente plana (la métrica de Minkowski más una pequeña corrección). Igual que cuando se estudian ondas gravitacionales (o gravitones en el caso cuántico), la corrección de la métrica evoluciona siguiendo la versión lineal de las ecuaciones de Einstein. La retrorreacción (backreaction) del campo es calculada por Bruschi usando una aproximación cuasiclásica.

Como fuente de la gravedad se usa el promedio del tensor energía-momento para un estado entrelazado, ρ(α,β) en la figura de más arriba, con 0 ≤ α ≤ 1, 0 ≤ β ≤ 1/2, y (α− 1/2)² + β² ≤ 1/4 (para que ρ(α,β) represente un estado físico). Un estado mezcla maximal se obtiene para α = 1/2 y β = 0; un estado con entrelazamiento máximo viene dado por α = β = 1/2. El cálculo relativista es complicado, por lo que Bruschi recurre a una aproximación no relativista. Para la función de onda de cada partícula usa un perfil gaussiano, con semianchura σ. Además, para evitar que las funciones de onda se solapen, asume que están bien separadas por una distancia L tal que σ L ≫ 1.

El parámetro σ permite adimensionalizar la métrica usando un factor ξ que debe cumplir que ξ = G m σ /c² ≪ 1 para que la aproximación cuasiclásica sea aplicable (G es la constante de Newton, m es la masa de las partículas y c es la velocidad de la luz). Gracias a estas aproximaciones se puede estimar el efecto del entrelazamiento en la métrica durante un tiempo menor que el tiempo asociado a la decoherencia. Para una partícula con masa m ∼ 10−31 kg se tiene que 1/σ ∼ 10−22 m y por tanto ξ ∼ 10−37, un valor extremadamente pequeño. Además hay que realizar la medida muy rápido, pues el tiempo de decoherencia se estima en τ = 1/(σ c) ∼ 10−31 s.

Estos valores indican que el efecto predicho por Bruschi no se puede medir, salvo que se diseñe un sistema que lo amplifique. No soy experto en gravedad cuántica en la aproximación cuasiclásica. Pero como decía Bee sobre un artículo de Jacob D. Bekenstein, “Is a tabletop search for Planck scale signals feasible?,” arXiv:1211.3816 [gr-qc], 2012, medir la gravedad cuántica en laboratorio no es imposible, pero necesitamos primero una teoría cuántica de la gravedad. Dicha teoría nos permitirá diseñar el experimento (cómo amplificar los efectos) y estimar qué resultado debemos esperar. Todo experimento basado en ideas semiclásicas (como las propuestas por Bekenstein o ahora por Bruschi) nos llevará a un diseño inapropiado.

En resumen, en este combate argumental me decanto por Bee. Calcular en detalle las fluctuaciones cuánticas de la métrica requiere una teoría cuántica de la gravedad. No se pueden obtener resultados útiles usando una aproximación cuasiclásica (máxime si es no relativista). No creo que el artículo de Bruschi sea aceptado en una revista como Physical Review Letters, pero con toda seguridad acabará publicado en alguna revista de poco prestigio, donde será olvidado entre la marabunta de artículos que se publican todos los días.

Una nueva teoría de la mecánica cuántica presupone no sólo la existencia de mundos paralelos, sino también que su interacción mutua es lo que da origen a todos los efectos cuánticos observados en la naturaleza.

La teoría, publicada por primera vez por el profesor Bill Poirier hace cuatro años, ha atraído recientemente la atención de la comunidad física, lo que lleva a un comentario invitado en una revista de física de alto rango, Physical Review X.

Según la teoría de Poirier, la realidad cuántica no es del tipo onda, sino que está compuesta de múltiples mundos, clásicos. En cada uno de estos mundos, cada objeto tiene atributos físicos muy definidos, como la posición y el momento. Dentro de un mundo dado, los objetos interactúan entre sí de modo clásicó. Todos los efectos cuánticos, por otro lado, se manifiestan como interacciones entre mundos paralelos “cercanos”.

La idea de muchos mundos no es nueva. En 1957, Hugh Everett publicó lo que ahora se llama la interpretación de “muchos mundos” de la mecánica cuántica. “Pero en la teoría de Everett, los mundos no están bien definidos”, según Poirier, “Porque la matemática subyacente es la de la teoría cuántica estándar basada en ondas.”

Por el contrario, en la teoría Muchos Mundos Interactuantes, de Poirier, los mundos se construyen en las matemáticas desde el principio.

¿Prueba esto algo de modo definitivo acerca de la naturaleza de la realidad? “Todavía no. Las observaciones experimentales son la prueba definitiva de cualquier teoría. Hasta ahora, muchos mundos Interactuar hace que las mismas predicciones como la teoría cuántica estándar, por lo que todo lo que podemos decir con seguridad en la actualidad es que puede ser que sea correcto “, apunta Poirier.

Poirier llegó por primera vez a la idea de forma inesperada, en la búsqueda de un objetivo mucho más práctico. “No me senté y me dije: vamos a inventar una nueva interpretación cuántica loca en la que interactuan mundos paralelos. Estaba tratando de desarrollar un método computacional eficiente usando algo llamado trayectorias cuánticas, cuando de repente me di cuenta de cómo se podía conseguir todo, desde las trayectorias (es decir, los mundos propios), sin llegar a necesitar ninguna ola “.

Poirier publicó tanto las nuevas matemáticas como la nueva interpretación en un artículo en Chemical Physics, en 2010, dando lugar a una colaboración con el matemático Jeremy Schiff de la Universidad de Bar-Ilan. Esto a su vez condujo a una publicación de 2012 en el Journal of Chemical Physics que, con más de 20.000 descargas, es uno de los documentos más vistos en la historia de esta revista. Más recientemente, este trabajo se ha ganado la atención de la comunidad en general. “Estamos muy contentos de que otros físicos e incluso filósofos ahora se estén involucrando”, dice Poirier.

Uno de estos investigadores es el físico australiano Howard Wiseman, de la Universidad de Griffith en Brisbane. “Estoy muy contento de haber conocido a Bill”, dice Wiseman, quien agrega que Poirier está “Tomando literalmente la idea de que hay un conjunto de partículas… en lugar de sólo una sola persona”. Wiseman y sus compañeros de trabajo presentaron recientemente su primer artículo sobre la idea de Múlltiples Mundos Interactuando a Physical Review X, que lo publicó junto con el Comentario de Poirier. El enfoque de Wiseman es una versión discreta, para el que “hay un conjunto finito, pero muy grande de partículas … bueno, es decir, un conjunto de mundos” .

En cuanto a los desarrollos matemáticos en el artículo de Wiseman, Poirier señala, “Estas son grandes ideas, no sólo conceptualmente, sino también con respecto a los nuevos avances numéricos que son casi seguro engendrados por ello. Nuestro grupo ofrece a la comunidad física fundamental una nueva interpretación de la mecánica cuántica; y ahora nos ha devuelto el favor, ofreciéndonos un nuevo método computacional prometedor “.

SciTechDaily

Antonio Acín (ICFO/ICREA, Barcelona, ​​España) y varios colegas responden a esta pregunta en un artículo en Nature Communications que presenta un protocolo cuántico para amplificar la aleatoriedad de los eventos naturales que sean aleatorios para hacerlos completamente aleatorios. El artículo no demuestra que estos eventos existan en la Naturaleza, pero introduce la siguiente dicotomía: o bien nuestro universo es completamente determinista, o bien existen eventos naturales que son totalmente aleatorios. Todo el mundo sabe que la física clásica es totalmente determinista (aunque el caos determinista limita su predictibilidad) y que la física cuántica permite lo aleatorio, aunque ello no implica la existencia de cualquier forma de aleatoriedad en la Naturaleza. El problema de distinguir entre (pseudo)aleatoriedad y aleatoriedad completa puede parecer de interés sólo para los filósofos, pero también es importante desde un punto de vista práctico, pues los bits aleatorios son útiles en muchas aplicaciones (protocolos criptográficos, juegos de azar o simulación numérica de sistemas físicos y biológicos). El artículo técnico es Rodrigo Gallego et al., “Full randomness from arbitrarily deterministic events,” Nature Communications 4: 2654, 30 Oct 2013 (arXiv:1210.6514 [quant-ph]).

En física clásica cualquier aleatoriedad observada un sistema es manifestación de nuestra descripción imperfecta de dicho sistema. En física cuántica todas las predicciones de los resultados de los experimentos se describen en términos probabilísticos (esto llevó a que físicos como Albert Einstein pensaran que es una descripción incompleta de la realidad). Sin embargo, los teoremas de no-go de John Bell implican que las teorías de variables ocultas (que explican la cuántica aludiendo a un mundo subcuántico clásico) son incompatibles con las predicciones de la mecánica cuántica. En concreto, todas las teorías de variables ocultas compatibles con una estructura causal local predicen correlaciones entre los eventos separados un intervalo de tipo espacio que satisfacen las llamadas desigualdades de Bell, pero estas desigualdades son violadas por algunas correlaciones entre partículas cuánticas. Estas correlaciones tienen su origen en la no-localidad de la física cuántica.

Las razones son sutiles, pero la no-localidad cuántica no implica necesariamente la existencia de procesos totalmente impredecibles en la Naturaleza. Por un lado, certificar un proceso como impredecible requiere usar el principio de no-señalización (la comunicación instantánea de información no es posible). Y por otro lado, las verificaciones experimentales de las desigualdades de Bell requieren que el observador realice ajustes o elecciones al azar en los aparatos de medida, pero certificar estas acciones como aleatorias es imposible (es imposible garantizar que los procesos mentales detrás de estas decisiones sean aleatorios).

Por todo ello, la existencia de procesos completamente al azar debe ser estudiada en detalle. El nuevo artículo propone un protocolo cuántico de amplificación de la aleatoriedad. Se parte de una fuente de bits pseudoaleatorios y tras la aplicación del protocolo se obtiene una nueva fuente de bits aleatorios perfectos, sin ninguna correlación con todos los acontecimientos que estén fuera de su cono de luz, es decir, que pueden haber sido una causa potencial.


Se parte de una fuente S de bits pseudoaleatorios, cada uno con una probabilidad P(x|e), siendo e cualquier evento que sea causa del bit x. Se cumplirá que ε ≤ P(x|e) ≤ 1-ε, donde 0 < ε ≤ 1/2. Los bits son deterministas si ε = 0 y completamente aleatorios si ε = 1/2.El objetivo del nuevo protocolo de amplificación de la aleatoriedad es construir una nueva fuente S(ε) de bits aleatorios con un valor ε que tienda hacia 1/2. Santha y Vazirani (1984) demostraron que la amplificación de la aleatoriedad es imposible sólo con el uso de los recursos clásicos. Colbeck y Renner (2012) construyeron un protocolo de amplificación de aleatoriedad que logra que ε→1/2, pero partiendo de una fuente S de bits muy aleatorios, con 0,442 < ε ≤ 0,5. El nuevo protocolo supera este inconveniente.

No pretendo explicar los detalles del nuevo protocolo de amplificación de la aleatoriedad, sólo presentar la idea de su funcionamiento (mostrado en la figura de arriba). En el primer paso un conjunto de observadores elige al azar, usando la fuente pseudoaleatoria S, los ajustes de su experimento y realiza una medida cuántica. Los observadores se agrupan en quintetos y para cada quinteto se realiza un test de Mermin-Bell para chequear la no localidad; se descartan los quintetos que no superen este test. El resto de los quintetos se agrupa en bloques del mismo tamaño Nd, llamados bloques de destilación. El siguiente paso se repite cuantas veces sea necesario. Se elige uno de los bloques de destilación utilizando la fuente S pseudoaleatoria; se comprueba si cumple la desigualdad de violación máxima de la no localidad del test de Mermin-Bell; en caso contrario, se descarta y se repite el proceso de elegir un nuevo bloque de destilación (si aún queda alguno, en cuyo defecto se repite todo desde el principio). El paso final es elegir un bit entre los primeros tres bits de cada quinteto en el bloque de destilación seleccionado; para ello se utiliza un algoritmo de votación por mayoría. El resultado es un bit de una fuente aleatoria con ε→1/2 (conforme N y Nd crecen). Los interesados en más detalles pueden consultar el artículo técnico (que incluye las demostraciones de los dos teoremas en sendos apéndices).

Un equipo de físicos ha hecho que una cantidad sin precedentes de partículas de luz (fotones) se comporten de un modo propio de la mecánica cuántica, asumiendo más de un estado a la vez. En este caso, la luz está en la forma de fotones de microondas atrapados.

En los modelos actuales de la computación cuántica, los científicos suelen describir sistemas compuestos por muchos componentes cuánticos artificiales conocidos como qubits.

Los fotones son una buena herramienta para transferir información entre tales qubits, pero su capacidad para servir como qubits es limitada, debido a que es difícil controlarlos.

La nueva investigación, llevada a cabo por el equipo de Robert Schoelkopf y Brian Vlastakis, de la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut, Estados Unidos, muestra que se puede controlar una gran cantidad de fotones (más de 100 en este caso) con la ayuda de un sólo qubit.

Esto sugiere la posibilidad de que un grupo de fotones pueda pronto desempeñar el papel de muchos qubits, minimizando potencialmente el coste y la escala de los dispositivos de computación cuántica.

 

En la nueva investigación se ha logrado controlar más de un centenar de fotones mediante un solo bit cuántico.

Hace apenas unos años, alcanzar este nivel de control sobre un sistema tan grande no habría parecido posible.

Con los resultados obtenidos en los experimentos de la nueva investigación, se abren atajos potenciales para desarrollar nuevos modos de realizar las funciones necesarias para una futura computadora cuántica.

La computadora cuántica, una tecnología todavía en estado embrionario, sería una herramienta con una velocidad de procesamiento de información exponencialmente mayor que la de las supercomputadoras más sofisticadas de la actualidad.

 

 

 

 

NCYT

Gracias a una tecnología híbrida, es posible realizar una transmisión muy fiable de bits cuánticos fotónicos, como se ha demostrado en un experimento cuyos resultados han sido analizados cuidadosamente.

Mediante el entrelazamiento cuántico de campos de luz separados en el espacio, unos investigadores japoneses y alemanes han conseguido teleportar qubits (bits cuánticos) fotónicos con notable fiabilidad. Esto significa que se ha logrado dar un paso decisivo una década y media después de los primeros experimentos en el campo de la teleportación óptica. El éxito del experimento llevado a cabo en la ciudad japonesa de Tokio es atribuible al uso de una técnica híbrida en la cual se han combinado dos enfoques tecnológicos conceptualmente distintos y que antes se consideraban del todo incompatibles.

En la teleportación cuántica se transfieren estados cuánticos arbitrarios desde un emisor, a quien aquí podemos referirnos como Isabel, hasta un receptor, a quien podemos llamar Miguel, que está alejado en el espacio. Esto requiere que Isabel y Miguel inicialmente compartan un estado de entrelazamiento cuántico a través del espacio que les separa, un entrelazamiento cuántico que puede por ejemplo estar en la forma de fotones entrelazados cuánticamente.

La teleportación cuántica es de importancia fundamental para el procesamiento de información cuántica (la base de la computación cuántica) y la comunicación cuántica. Los fotones son particularmente valiosos como portadores de información ideales para la comunicación cuántica, ya que se les puede usar para transmitir señales a la velocidad de la luz. Un fotón puede representar un bit cuántico, al que se llama abreviadamente "qubit" y que es comparable a un dígito binario (bit) de un sistema clásico de procesamiento de información.

Los primeros intentos de teleportar fotones (partículas de luz) individuales fueron realizados por el físico austriaco Anton Zeilinger. Desde entonces, se han realizado varios experimentos relacionados con este concepto. Sin embargo, la teleportación de bits cuánticos fotónicos utilizando métodos convencionales ha demostrado tener limitaciones debido a deficiencias experimentales y dificultades con principios fundamentales.

 

Lo que hace que el experimento realizado en Tokio sea tan diferente es el uso de una técnica híbrida. Con su ayuda se ha logrado la teleportación cuántica completamente determinista, y de fiabilidad bastante buena, de qubits fotónicos. La precisión de la transferencia fue de entre un 79 y un 82 por ciento para cuatro qubits diferentes. Además, se teleportaron los qubits con una eficiencia mucho mayor que en experimentos anteriores, incluso con un grado bajo de entrelazamiento cuántico.


El concepto de entrelazamiento cuántico fue formulado por primera vez por Erwin Schrödinger, y describe una situación en la que dos sistemas cuánticos, como por ejemplo dos partículas de luz, están en un estado conjunto, por lo que sus comportamientos son mutuamente dependientes a un nivel mayor del que es posible normalmente (bajo condiciones clásicas). En el experimento de Tokio, se consiguió el entrelazamiento continuo mediante la estrategia de entrelazar muchos fotones en "parejas".

Los experimentos previos sólo tuvieron un fotón entrelazado cuánticamente con otro fotón, una solución menos eficiente.

"El entrelazamiento de fotones funcionó muy bien en el experimento realizado en Tokio, prácticamente al pulsar un botón, tan pronto como el láser se encendía", destaca el profesor Peter van Loock de la Universidad Johannes Gutenberg en Maguncia, Alemania. Como físico teórico, van Loock asesoró a los físicos experimentales del equipo de investigación dirigido por el profesor Akira Furusawa, de la Universidad de Tokio, sobre cómo podían realizar más eficientemente el experimento de teleportación para poder lograr el éxito de la teleportación cuántica.

Este entrelazamiento continuo se logró con la ayuda de "luz comprimida".

 

 

 

 

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