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El Experimento de la Doble Rendija y el Entrelazamiento de Electrones

Creada26-05-2014
Modificada26-05-2017
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Noviembre6

Reseña del Documental Salto Cuántico de la serie La Fábrica del Cosmos

Salto Cuántico

Brian Green intenta explicar los enigmáticos misterios de la Mecánica Cuántica.

¿Lo conseguirá?

Luz en Porciones

Cuando calentamos un gas dentro de una ampolla de vidrio, el gas emite luz. Si pasamos esa luz por un prisma para descomponer su espectro veremos que sólo aparecen unas pocas líneas, no el espectro continuo que se consigue al descomponer la luz del Sol.

Niels Bohr opinaba que las órbitas de los electrones en el átomo no eran como las de los planetas en el Sistema Solar, sino que había una serie de órbitas fijas y determinadas y los electrones tenían que colocarse en una o en otra. Cuando un electrón era excitado y se le empujaba a otra órbita inferior emitía un fotón de la misma longitud de onda del salto que hubiera dado. De ahí que cada elemento tendería a emitir luz en determinadas longitudes de onda, no en cualquiera.

Los electrones están en una órbita y si cambian de órbita lo hacen instantáneamente, sin pasar por el espacio intermedio. Es como si desaparecieran de una órbita y aparecieran en otra.

El Experimento de la Doble Rendija

Experimento de las RanurasOtro descubrimiento de la Mecánica Cuántica se produjo al realizar el Experimento de la Doble Rendija.

Si delante de una pantalla colocamos una barrera con dos rendijas y lanzamos sobre ella una gran cantidad de electrones, es de esperar que los electrones, o choquen con la barrera, o pasen por alguna de las rendijas, con lo cual alcanzarán la pantalla en dos zonas determinadas de la misma, las mismas zonas que estén en línea recta desde el disparador de electrones hasta la pantalla a través de ambas rendijas.

La sorpresa es que los electrones no llegan a DOS zonas, sino a varias paralelas, algunas de ellas ocultas tras la pantalla. ¿Cómo puede haber llegado un electrón, que se mueve en línea recta, a un lugar de la pantalla que no está en línea recta a través de ninguna de las rendijas?

Interferencia de OndasEsto podría ocurrir si enviamos una onda hacia las ranuras, entonces sí, se producen bandas de interferencia similares a las obtenidas en la pantalla, pero los electrones no son ondas, son partículas. ¿Cómo entonces se puede producir un efecto ondulatorio en la emisión de un chorro de partículas?

La Insoportable Imprevisibilidad de las Partículas

La respuesta es que los electrones NO son partículas, sino ondas de probabilidad. Cuando observamos un electrón no estamos viendo el electrón en sí,  sino una zona del Espacio donde es más o menos probable que se encuentre.

Todas las partículas del universo son ondas de probabilidad y funcionan mediante las leyes de la mecánica cuántica, aunque a gran escala actúan como si fueran partículas reales.

A nivel cuántico es imposible predecir el comportamiento de una partícula, pero cuando tenemos un gran número de partículas sí se puede predecir el comportamiento general de todas ellas.

Tal como en una ruleta, no podemos saber cuál es el número que saldrá cada vez, ni si ganará un cliente o la banca pero sí sabemos que al cabo de muchas tiradas todos los números saldrán un número similar de veces y la banca ganará el 5% del dinero que se apueste.

Esto no le gustaba a Einstein porque creía que el comportamiento de cada partícula debía ser previsible, pero la mayoría de los físicos acabaron aceptando la idea porque todo lo que se podía predecir con ella acababa haciéndose realidad.

Entrelazamiento de Partículas

El efecto más extraño que predice la Mecánica Cuántica es el Entrelazamiento. Cuando dos partículas están muy cerca se pueden entrelazar y entonces sus propiedades se vuelven complementarias.

Por ejemplo, dos electrones que tienen spin, si se entrelazan uno tendrá spin positivo y el otro negativo.

Pero el spin es una propiedad aleatoria que solo puede medirse cuando se observa y si observamos los dos al mismo tiempo veremos que los dos electrones tendrán un espín diferente cada vez que se midan pero en todos los pares de medidas ambos spines serán opuestos.

Y no importa la distancia, si separamos los dos electrones hasta una distancia de un año luz y los medimos, ambos serán opuestos, como si se comunicaran el uno al otro su estado instantáneamente a través de distancias estelares.

Einstein veía esto absurdo e imposible pero Bohr seguía opinando que el Entrelazamiento funcionaría así.

En 1967, John Clauser, un joven doctorando que intentaba comprender la mecánica cuántica, leyó un artículo de John Bell en el que proponía un experimento físico que se podría realizar para comprobar si el entrelazado era un fenómeno real. Clauser, convencido de que la Mecánica Cuántica estaba equivocada, construyó una máquina según las especificaciones de Bell que crease muchas partículas entrelazadas y las comparase en muchas direcciones distintas.

El resultado del experimento fue demostrar, para gran disgusto de Clauser, que la Mecánica Cuántica y el entrelazamiento eran fenómenos reales y funcionaban según los cálculos de Bohr.

Eso abría la puerta a poder usar el entrelazamiento de partículas para transmitir información de forma instantánea sin estar sometido al límite de la velocidad de la luz, o quizás más espectacular, la posibilidad de crear máquinas para teletransportar partículas, objetos o personas a través de grandes distancias.

Teletranspórtame, Scotty

Entrelazamiento de ElectronesAnton Zeilinger en el observatorio de La Palma en las Islas Canarias, crea fotones entrelazados y envía uno de ellos a otro observatorio en Tenerife, a 144 Km.

A continuación introduce un tercer fotón, lo hace interactuar con el fotón entrelazado de La Palma. Entonces el fotón de Tenerife puede convertirse en una copia idéntica del tercer fotón.

Es como si el tercer fotón se hubiera teletransportado hasta Tenerife sin haber pasado por el mar.

Zeilinger ya ha conseguido teletransportar miles de partículas por este método y abre la posibilidad de que el día de mañana sea posible el teletransporte de las series de Ciencia-ficción.

Seth Lloyd, del MIT, intenta diseñar un ordenador cuántico capaz de realizar muchos cálculos simultáneamente en los mismos circuitos. De conseguirlo, podría multiplicar por millones la capacidad de computación de los procesadores.

Como ejemplo se expone el problema de salir de un laberinto. El método clásico consiste en irlo recorriendo secuencialmente hasta dar con la salida. El método cuántico permitiría probar TODOS los caminos al mismo tiempo en un único ciclo del ordenador.

En mi opinión

Fascinante pero incomprensible. Todo lo referente a la mecánica cuántica parece apartarse por completo de las reglas del funcionamiento "normal" del Universo que nos rodea.

Pero es real.

Hablando de problemas que podrían ser resueltos con rapidez por un ordenador cuántico, recuerdo el problema de recorrer las cincuenta y dos capitales de provincia españolas por el camino más corto. Son tantos los caminos posibles que un ordenador clásico tardaría miles de millones de años en calcularlos todos para encontrar la solución. Pero un ordenador cuántico ¿podría programarse para calcular TODOS los caminos posibles al mismo tiempo y seleccionar el trayecto más corto?

Hablando de Ciencia-Ficción, nunca me ha gustado la idea del teletransporte porque no es viajar, sino ser destruido en un lugar y reconstruido en otro.

¿Y si se interrumpe el proceso y te quedas en el limbo? O ¿y si se bloquea la máquina y empieza a fabricar muchas copias de tí? Quién se va a quedar con el piso, el coche y la mujer? ¿O hacemos más copias de la mujer?

Puestos a inventar ideas de Ciencia-ficción yo prefiero el concepto de Telepuertas. Una puerta que comunica dos habitaciones distintas a larga distancia. Imaginad que hay una red de telepuertas que cubra todo el planeta como los pasillos del metro, solo que en lugar de que haya andenes hay puertas que comunican unas estaciones con otras. Simplemente caminando a través de ellas puedes ir de Bollullos a Sevilla, a Madrid, a París, a Nueva York, a Austin y a El Paso para visitar a un amigo, y volver caminando después del partido.

Eso no funcionaría mediante el entrelazamiento de partículas, sino el entrelazamiento de puertas. Sugiero a algún ingeniero físico que intente construir Puertas Entrelazadas.

Si lo consigue, todas las industrias de transportes y automóvil acabarán en la quiebra.

Ver Ficha de Salto Cuántico de la serie La Fábrica del Cosmos

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