La teoría cuántica describe acontecimientos que tienen lugar en escalas de tiempo extremadamente cortas. En el pasado, estos acontecimientos se consideraban “instantáneos”: un electrón orbita alrededor del núcleo de un átomo y al instante siguiente es arrancado por un destello de luz. Dos partículas chocan y al instante siguiente se entrelazan cuánticamente. Hoy en día, sin embargo, se puede investigar el desarrollo temporal de estos efectos. Y así se ha hecho en un estudio reciente para averiguar cuánto tiempo consume el proceso de entrelazamiento cuántico.
La investigación la ha realizado un equipo internacional integrado, entre otros, por Wei-Chao Jiang, de la Universidad de Shenzhen en China, así como Stefan Donsa, Iva Březinová y Joachim Burgdörfer, de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) en Austria.
Si dos partículas están entrelazadas cuánticamente, pasan a ser un único objeto cuántico. “Desde un punto de vista matemático, están firmemente unidas, aunque se encuentren en dos lugares completamente distintos”, subraya Burgdörfer.
En los experimentos con partículas cuánticas entrelazadas, los científicos suelen estar interesados en mantener este entrelazamiento cuántico el mayor tiempo posible; por ejemplo, si quieren utilizar el entrelazamiento cuántico para la criptografía cuántica o para los ordenadores cuánticos. En cambio, lo que los autores del nuevo estudio querían era averiguar cuánto tiempo dura el proceso la puesta en marcha de este entrelazamiento cuántico y cuánto duran los efectos físicos que intervienen en dicho proceso.
Los investigadores analizaron átomos que recibían un pulso láser extremadamente intenso y de alta frecuencia. Cuando eso sucede, un electrón es arrancado del átomo y sale volando, por así decirlo. Si la radiación es lo suficientemente intensa, es posible que un segundo electrón del átomo también se vea afectado: puede pasar a un estado de mayor energía y orbitar el núcleo del átomo siguiendo una trayectoria diferente.
Así, tras el pulso láser, un electrón sale volando y otro permanece en el átomo con una energía desconocida. “Podemos demostrar que estos dos electrones están entrelazados cuánticamente”, explica Burgdörfer. “Solo se pueden analizar juntos, y se puede efectuar una medición en uno de los electrones y averiguar algo sobre el otro electrón al mismo tiempo”.
Representación de entrelazamiento cuántico. Un átomo es golpeado por un pulso láser, y como consecuencia de ello, un electrón es arrancado del átomo y otro electrón es llevado a un estado con mayor energía. (Imagen: TU Wien)
El equipo de investigación ha podido demostrar ahora, utilizando un protocolo de medición adecuado que combina dos haces láser diferentes, que es posible alcanzar una situación en la que el “tiempo de nacimiento” del electrón que sale volando, es decir, el momento en que abandonó el átomo, está relacionado con el estado del electrón que permanece detrás. Estas dos propiedades están entrelazadas cuánticamente.“Esto significa que, en principio, no se conoce la hora de nacimiento del electrón que sale volando. Se podría decir que el propio electrón no sabe cuándo abandonó el átomo”, afirma Joachim Burgdörfer. “Se encuentra en una superposición cuántica de diferentes estados. Ha salido del átomo tanto en un momento anterior como en uno posterior”.
No se puede saber en qué momento ocurrió “realmente”, ya que el concepto “realmente” en este contexto no existe para la física cuántica. Sin embargo, la respuesta está ligada, desde el punto de vista de la física cuántica, al estado (también indeterminado) del electrón que permanece en el átomo: si el electrón se encuentra en un estado de mayor energía, entonces es más probable que el electrón que salió volando fuera arrancado en un momento temprano; si el electrón remanente se encuentra en un estado de menor energía, entonces es probable que el “momento de nacimiento” del electrón libre que salió volando fuera más tardío: una media de unos 232 attosegundos.
Se trata de un periodo de tiempo casi inimaginablemente corto: un attosegundo es la milmillonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo. “Sin embargo, estas diferencias no solo pueden calcularse, sino también medirse en experimentos”, afirma Burgdörfer.
El nuevo estudio demuestra que no se puede considerar “instantáneos” a los efectos cuánticos. “El electrón no salta literalmente del átomo. Es una onda que sale del átomo, por así decirlo, y eso lleva un cierto tiempo”, explica Březinová. “Es precisamente durante esta fase cuando se produce el entrelazamiento, cuyo efecto puede medirse después con precisión observando los dos electrones”.
El estudio se titula “Time Delays as Attosecond Probe of Interelectronic Coherence and Entanglement”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review Letters.
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