La rareza cuántica de la luz sobrevive después de ir al espacio y volver

La misteriosa dualidad onda-partícula del mundo cuántico ha sido probada utilizando satélites - estableciendo un nuevo récord de distancia de más de 3000 kilómetros para la detección de este extraño comportamiento.

Sabemos que los fotones son quanta de energía, o partículas, pero en algunos experimentos las partículas pueden actuar como ondas. De acuerdo con la física cuántica estándar, podemos observar la naturaleza de las ondas o la naturaleza de las partículas de este sistema cuántico, pero nunca ambos al mismo tiempo. Siempre que lo intentamos, el acto de medir el fotón lo fuerza a comportarse como uno u otro.

En 1978, el físico John Archibald Wheeler sugirió un llamado experimento de elección retardada, en el que la decisión de buscar la onda del fotón o la naturaleza de las partículas se retrasa hasta que el fotón ya ha entrado en la configuración experimental.

Suponga que el fotón entró en un experimento diseñado para buscar su naturaleza de partículas, y usted eligió en el último instante para hacer un switcheroo y ver su naturaleza de onda. ¿Qué haría el fotón? La teoría dice que el fotón debería actuar como una onda.

Durante las últimas dos décadas, los experimentos han probado las ideas de Wheeler y demostrado que son correctas. Pero la distancia más larga recorrida por un fotón en estos experimentos fue de unos 140 kilómetros.

Paolo Villoresi, de la Universidad de Padua (Italia) y sus colegas, han realizado este experimento utilizando satélites para probar la mecánica cuántica a lo largo de miles de kilómetros, allanando el camino para aplicaciones espaciales. Como nos enseñó Galileo, que fue profesor en Padua, hay que comprobar sus leyes en los límites[de dónde] piensa usarlas ", dice Villoresi.

En su configuración, un pulso de luz láser entra en un dispositivo llamado divisor de haz, que crea dos caminos para que la luz tome. Un camino es recto y el otro tiene un desvío, por lo que la luz en el camino recto tiene una distancia más corta que recorrer. La luz en la ruta de desvío vuelve a unirse al camino recto y ambos pulsos se dirigen a lo largo de la misma ruta hacia un satélite en órbita terrestre baja, con uno rezagado respecto al otro.

El satélite rebota los pulsos de luz de vuelta a la Tierra, donde se encuentran con un dispositivo que hace aleatoriamente una de dos cosas: o bien no puede hacer nada, o bien puede sostener el primer pulso un poco para que la pareja emerja en el momento y por lo tanto llegar a un detector en el mismo momento. Esta decisión corresponde a la elección retardada de Wheeler.

No hacer nada permite que las longitudes de trayecto sigan siendo desiguales, mientras que añadir un retardo en una trayectoria equivale a igualar las longitudes de trayecto.

Surge la interferencia

Cuando los caminos son desiguales y los fotones llegan uno tras otro, podemos decir qué camino tomaron. En este caso, actúan como partículas.

Cuando las dos trayectorias son iguales en longitud, los detectores no pueden decir qué trayectoria toma cada fotón. En este caso, cada fotón termina en una superposición de haber tomado ambos caminos a la vez, e interferirá consigo mismo, mostrando su naturaleza ondulatoria -aunque, a nuestra manera de pensar clásica, debería haber entrado y dejado el experimento como una partícula. Haga este experimento muchas, muchas veces, y un patrón de interferencia característica de las ondas emerge.

Debido a que los satélites en órbita baja de la Tierra están viajando a unos 7 kilómetros por segundo, las matemáticas tienen que dar cuenta de un "empuje relativista" dado a los fotones reflejados, dice Villoresi, que no era el caso en los experimentos basados en la Tierra.

Giulio Chiribella, físico cuántico de la Universidad de Oxford, está impresionado. Este experimento muestra que, al menos a una distancia de aproximadamente 3.500 kilómetros, las predicciones de la teoría cuántica siguen siendo válidas", afirma. Este resultado será probablemente el primero de una serie de pruebas experimentales en las que se probarán a escalas cada vez más grandes las características fundamentales de la mecánica cuántica".

Autor | Anil Ananthaswamy