El entrelazamiento cuántico hace añicos la causalidad local de Einstein: el futuro de la computación y la criptografía

Por ETH Zurich 11 de mayo de 2023

Los investigadores de ETH Zurich realizaron una prueba de Bell sin lagunas con circuitos superconductores, confirmando la mecánica cuántica y refutando el concepto de causalidad local de Einstein. Los hallazgos abren posibilidades en la computación cuántica distribuida y la criptografía cuántica.

Los investigadores de ETH Zurich han logrado demostrar que los objetos mecánicos cuánticos que están muy separados pueden estar mucho más fuertemente correlacionados entre sí de lo que es posible en los sistemas convencionales. Para este experimento, utilizaron por primera vez circuitos superconductores.

Sección parcial de la conexión cuántica de 30 metros de largo entre dos circuitos superconductores. El tubo de vacío (centro) contiene una guía de ondas de microondas que se enfría a unos –273 °C y conecta los dos circuitos cuánticos. Crédito: ETH Zúrich / Daniel Winkler

Un grupo de investigadores dirigido por Andreas Wallraff, profesor de Física del Estado Sólido en ETH Zurich, realizó una prueba de Bell sin lagunas para refutar el concepto de "causalidad local" formulado por Albert Einstein en respuesta a la mecánica cuántica. Al mostrar que los objetos mecánicos cuánticos que están muy separados pueden estar mucho más fuertemente correlacionados entre sí que en los sistemas convencionales, los investigadores han proporcionado una confirmación adicional de la mecánica cuántica. Lo especial de este experimento es que los investigadores pudieron realizarlo por primera vez utilizando circuitos superconductores, que se consideran candidatos prometedores para construir poderosas computadoras cuánticas.

Una prueba de Bell se basa en una configuración experimental que fue diseñada inicialmente como un experimento mental por el físico británico John Bell en la década de 1960. Bell quería resolver una cuestión sobre la que los grandes de la física ya habían discutido en la década de 1930: ¿son correctas las predicciones de la mecánica cuántica, que van completamente en contra de la intuición cotidiana, o los conceptos convencionales de causalidad también se aplican en el microcosmos atómico? como creía Albert Einstein?

Para responder a esta pregunta, Bell propuso realizar una medición aleatoria en dos partículas entrelazadas al mismo tiempo y compararlas con la desigualdad de Bell. Si el concepto de causalidad local de Einstein es cierto, estos experimentos siempre satisfarán la desigualdad de Bell. Por el contrario, la mecánica cuántica predice que lo violarán.

Una vista dentro de una sección de la conexión cuántica de 30 metros de largo. Una guía de ondas de aluminio (centro), enfriada casi hasta el cero absoluto, conecta los dos circuitos cuánticos. Varias capas de blindaje de cobre protegen al conductor de la radiación térmica. Crédito: ETH Zúrich / Daniel Winkler

A principios de la década de 1970, John Francis Clauser, quien recibió el Premio Nobel de Física el año pasado, y Stuart Freedman llevaron a cabo la primera prueba práctica de Bell. En sus experimentos, los dos investigadores pudieron demostrar que la desigualdad de Bell sí se viola. Pero tenían que hacer ciertas suposiciones en sus experimentos para poder realizarlos en primer lugar. Entonces, teóricamente, todavía podría haber sido el caso de que Einstein tuviera razón al ser escéptico de la mecánica cuántica.

Con el tiempo, sin embargo, más y más de estas lagunas podrían cerrarse. Finalmente, en 2015, varios grupos lograron realizar las primeras pruebas de Bell verdaderamente libres de lagunas, resolviendo así finalmente la vieja disputa.

Los investigadores han desarrollado su propio criostato para enfriar eficientemente la conexión cuántica de 30 metros de largo. Esto está instalado en el medio del enlace cuántico. Crédito: ETH Zúrich / Daniel Winkler

El grupo de Wallraff ahora puede confirmar estos resultados con un nuevo experimento. El trabajo de los investigadores de la ETH publicado en la reconocida revista científica Nature muestra que las investigaciones sobre este tema no están concluidas, a pesar de la confirmación inicial hace siete años. Hay varias razones para esto. Por un lado, el experimento de los investigadores de ETH confirma que los circuitos superconductores también funcionan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, aunque son mucho más grandes que los objetos cuánticos microscópicos, como los fotones o los iones. Los circuitos electrónicos del tamaño de varios cientos de micrómetros hechos de materiales superconductores y operados a frecuencias de microondas se conocen como objetos cuánticos macroscópicos.

Por otra parte, las pruebas de Bell también tienen un significado práctico. "Las pruebas de Bell modificadas se pueden usar en criptografía, por ejemplo, para demostrar que la información se transmite realmente en forma encriptada", explica Simon Storz, estudiante de doctorado en el grupo de Wallraff. "Con nuestro enfoque, podemos demostrar de manera mucho más eficiente que en otras configuraciones experimentales que se viola la desigualdad de Bell. Eso lo hace particularmente interesante para aplicaciones prácticas".

El equipo central del Quantum Device Laboratory en ETH Zurich que realizó el experimento. De izquierda a derecha: Anatoly Kulikov, Simon Storz, Andreas Wallraff, Josua Schär, Janis Lütolf. Crédito: ETH Zúrich / Daniel Winkler

Sin embargo, los investigadores necesitan una instalación de prueba sofisticada para esto. Porque para que la prueba de Bell esté realmente libre de lagunas, deben asegurarse de que no se pueda intercambiar información entre los dos circuitos enredados antes de que se completen las mediciones cuánticas. Dado que lo más rápido que se puede transmitir la información es a la velocidad de la luz, la medición debe llevar menos tiempo del que tarda una partícula de luz en viajar de un circuito a otro.

Por lo tanto, al configurar el experimento, es importante lograr un equilibrio: cuanto mayor sea la distancia entre los dos circuitos superconductores, más tiempo estará disponible para la medición y más compleja se volverá la configuración experimental. Esto se debe a que todo el experimento debe realizarse en un vacío cercano al cero absoluto.

Los investigadores de ETH han determinado que la distancia más corta para realizar una prueba de Bell sin lagunas es de unos 33 metros, ya que una partícula de luz tarda unos 110 nanosegundos en recorrer esta distancia en el vacío. Eso es unos nanosegundos más de lo que les tomó a los investigadores realizar el experimento.

El equipo de Wallraff ha construido una instalación impresionante en los pasadizos subterráneos del campus de ETH. En cada uno de sus dos extremos hay un criostato que contiene un circuito superconductor. Estos dos aparatos de refrigeración están conectados por un tubo de 30 metros de largo cuyo interior se enfría a una temperatura justo por encima del cero absoluto (-273,15 °C).

Before the start of each measurement, a microwave photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> el fotón se transmite de uno de los dos circuitos superconductores al otro para que los dos circuitos se enreden. Luego, los generadores de números aleatorios deciden qué mediciones se realizan en los dos circuitos como parte de la prueba de Bell. A continuación, se comparan los resultados de la medición en ambos lados.

After evaluating more than one million measurements, the researchers have shown with very high statistical certainty that Bell's inequality is violated in this experimental setup. In other words, they have confirmed that quantum mechanics also allows for non-local correlations in macroscopic electrical circuits and consequently that superconducting circuits can be entangled over a large distance. This opens up interesting possible applications in the field of distributed quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">computación cuántica y criptografía cuántica.

Construir la instalación y realizar la prueba fue un desafío, dice Wallraff. "Pudimos financiar el proyecto durante un período de seis años con fondos de una subvención avanzada de ERC". Simplemente enfriar toda la configuración experimental a una temperatura cercana al cero absoluto requiere un esfuerzo considerable. "Hay 1,3 toneladas de cobre y 14.000 tornillos en nuestra máquina, así como una gran cantidad de conocimientos de física e ingeniería", dice Wallraff. Él cree que, en principio, sería posible construir instalaciones que superen distancias aún mayores de la misma manera. Esta tecnología podría, por ejemplo, usarse para conectar computadoras cuánticas superconductoras a grandes distancias.

Referencia: "Violación de la desigualdad de Bell sin lagunas con circuitos superconductores" por Simon Storz, Josua Schär, Anatoly Kulikov, Paul Magnard, Philipp Kurpiers, Janis Lütolf, Theo Walter, Adrian Copetudo, Kevin Reuer, Abdulkadir Akin, Jean-Claude Besse, Mihai Gabureac, Graham J. Norris, Andrés Rosario, Ferran Martin, José Martinez, Waldimar Amaya, Morgan W. Mitchell, Carlos Abellan, Jean-Daniel Bancal, Nicolas Sangouard, Baptiste Royer, Alexandre Blais y Andreas Wallraff, 10 de mayo de 2023, Nature. DOI: 10.1038/s41586-023-05885-0