El Entrelazamiento Cuántico y la Ciencia de la Información Cuántica: Viajando por las aguas misteriosas del Universo Subatómico.

El fenómeno del entrelazamiento cuántico se erige como una de las propiedades más asombrosas de la mecánica cuántica, dejando una impronta indeleble en el panorama de la física moderna. Cuando dos partículas se hallan en estado de entrelazamiento, se desdibuja la posibilidad de describir el estado de una de ellas de manera independiente, anclando su destino al de su contraparte cuántica. Esta peculiaridad, exclusiva del reino cuántico, traza una línea divisoria esencial entre las teorías de la física clásica y cuántica, marcando un antes y un después en nuestro entendimiento de la naturaleza.

Es innegable la relevancia del entrelazamiento cuántico, tanto que en el año 2022 se otorgó el Premio Nobel de Física a distinguidos científicos como Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger. Estos pioneros se destacaron por sus experimentos con fotones entrelazados, los cuales arrojaron luz sobre la violación de las desigualdades de Bell y sentaron las bases de la incipiente ciencia de la información cuántica.

Ahora, un enigma persistente en el marco del modelo estándar de partículas es la colosal masa del quark top, que supera con creces la de cualquier otra partícula conocida. Las causas detrás de esta descomunal masa siguen siendo un enigma sin resolver en la física actual. No obstante, el quark top posee propiedades únicas que invitan a la exploración. Su inestabilidad extrema lo lleva a desintegrarse antes de que pueda experimentar el proceso de hadronización, transmitiendo meticulosamente todos sus números cuánticos a sus productos de descomposición. Este fenómeno, en apariencia esquivo, ofrece a los físicos la oportunidad de rastrear el estado cuántico del quark top, una tarea inabordable en el contexto de otros quarks. No menos crucial, esta peculiaridad permite medir su espín y, por ende, abrir la puerta a la investigación del entrelazamiento en la producción de pares de quarks top en el LHC.

Es importante destacar que, aunque en el pasado se ha medido el entrelazamiento, esta nueva perspectiva difiere significativamente de las aproximaciones anteriores. En la mayoría de las mediciones previas, se involucraban energías bajas no relativistas y se empleaban fotones o electrones como actores principales. Sin embargo, el LHC, con su colisión de protones a altas energías de centro de masa, rompe con la tradición al explorar escalas energéticas que superan en más de doce órdenes de magnitud las de los experimentos de laboratorio convencionales.

Un reciente logro de la colaboración ATLAS arroja luz sobre los efectos del entrelazamiento en el contexto de los quarks top. Los investigadores se han centrado en la observación de pares de quarks top en su umbral de producción, es decir, cuando la masa invariante del par es mínima, aproximadamente el doble de la masa del quark top. En estas condiciones, se espera que los quarks top se hallen entrelazados de manera óptima, lo que ofrece una ventana única para explorar este efecto cuántico.

La magnitud del entrelazamiento (D) se relaciona de manera intrínseca con la distribución angular de las partículas resultantes de la desintegración de los quarks top. Este enfoque proporciona a los físicos una herramienta directa para estudiar el entrelazamiento cuántico. Los investigadores han meticulosamente medido la separación angular de los productos de desintegración de los quarks top, corrigiendo los posibles efectos del detector que podrían influir en su medición. Como resultado, han calculado que D a nivel de partículas asciende a -0.547 ± 0.021. Este resultado se sitúa significativamente por debajo del valor mínimo indicativo de un estado no entrelazado y supera ampliamente el umbral de las cinco desviaciones estándar, requisito fundamental para la observación del entrelazamiento en los pares de quarks top.

Este hito marca la primera observación de entrelazamiento en un par de quarks y representa la medición de entrelazamiento a niveles de energía sin precedentes. Más allá de su importancia fundamental para poner a prueba el entrelazamiento cuántico en un contexto novedoso, este avance allana el camino para utilizar el LHC como un laboratorio de vanguardia en el estudio de la información cuántica y otros enigmas fundamentales de la mecánica cuántica.

La violación de las desigualdades de Bell y la ciencia de la información cuántica.

La "violación de las desigualdades de Bell" y la "ciencia de la información cuántica" son conceptos fundamentales en la física cuántica que han revolucionado nuestra comprensión de la naturaleza de la realidad y han impulsado el desarrollo de tecnologías avanzadas. Aquí tienes definiciones para ambos conceptos:

• Violación de las Desigualdades de Bell: La violación de las desigualdades de Bell es un fenómeno que desafía las expectativas de la física clásica y es uno de los pilares de la mecánica cuántica. Fue formulado por el físico John Bell en la década de 1960 como una forma de abordar el debate sobre la naturaleza de la realidad en la mecánica cuántica. Las desigualdades de Bell son relaciones matemáticas que se derivan de ciertas suposiciones realistas, conocidas como "variables ocultas locales", que sugerían que las propiedades de las partículas están predefinidas y que cualquier cambio en una partícula no debería afectar instantáneamente a otra, incluso si estuvieron previamente entrelazadas. La sorprendente conclusión de los experimentos basados en las desigualdades de Bell es que, en el contexto de la mecánica cuántica, estas desigualdades se violan. En otras palabras, los resultados de experimentos de entrelazamiento cuántico demuestran que las partículas entrelazadas pueden influenciarse mutuamente de manera instantánea, incluso si están separadas por distancias enormes. Esto cuestiona la noción de una realidad predefinida y local, lo que lleva a la conclusión de que la mecánica cuántica implica una interconexión fundamental y no local entre las partículas.

• Ciencia de la Información Cuántica: La ciencia de la información cuántica es una rama interdisciplinaria de la física y la informática que se enfoca en el estudio de la información, la computación y la comunicación en el contexto de la mecánica cuántica. En esencia, busca aprovechar las propiedades únicas de las partículas cuánticas, como la superposición y el entrelazamiento, para desarrollar nuevas tecnologías y algoritmos que tienen un potencial revolucionario en áreas como la criptografía, la computación cuántica y la comunicación segura.

  Algunos ejemplos destacados de la ciencia de la información cuántica incluyen:

  • Criptografía Cuántica: Emplea principios cuánticos para garantizar la seguridad de las comunicaciones, utilizando el principio de la incertidumbre de Heisenberg para detectar cualquier intento de espionaje.

  • Computación Cuántica: Utiliza qubits en lugar de bits convencionales para realizar cálculos, lo que promete resolver problemas complejos, como la factorización de números grandes, de manera mucho más eficiente que las computadoras clásicas.

  • Teleportación Cuántica: Permite la transferencia de información cuántica de un lugar a otro, incluso a través de distancias cósmicas, utilizando el entrelazamiento cuántico.

  En resumen, la ciencia de la información cuántica se encuentra en la vanguardia de la investigación científica y tecnológica, y su comprensión y aplicación tienen el potencial de revolucionar la forma en que manejamos la información y realizamos cálculos en el futuro.

Principio de la incertidumbre de Heisenberg.

El principio de la incertidumbre de Heisenberg, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, es uno de los pilares fundamentales de la mecánica cuántica. Este principio establece una limitación intrínseca en nuestra capacidad para conocer simultáneamente con precisión ciertos pares de propiedades físicas de una partícula, como la posición y el momento (o velocidad) de una partícula. En términos simples, el principio de la incertidumbre postula que cuanto más precisamente intentemos medir una de estas propiedades, menos precisión tendremos en la medición de la otra propiedad.

El principio de la incertidumbre se expresa matemáticamente como una desigualdad, generalmente escrita de la siguiente manera para el producto de la incertidumbre en la posición (Δx) y el momento (Δp) de una partícula:

Δx * Δp ≥ ħ/2

Donde:

• Δx es la incertidumbre en la posición de la partícula.
• Δp es la incertidumbre en el momento de la partícula.
• ħ (h-barra) es la constante reducida de Planck, que es una cantidad fundamental en la física cuántica y tiene un valor aproximado de 1.0545718 × 10^-34 joule segundo.

Las implicaciones del principio de la incertidumbre son significativas. Implica que, en el mundo cuántico, no podemos conocer con precisión tanto la posición como el momento de una partícula al mismo tiempo. Cuanto más precisamente intentemos medir una de estas propiedades, mayor será la incertidumbre en la medición de la otra. Este principio no se debe a limitaciones tecnológicas en nuestras herramientas de medición, sino que es una característica intrínseca de la naturaleza cuántica de las partículas.

Un ejemplo práctico de esto es que, en el nivel subatómico, no podemos determinar con precisión la posición y la velocidad de una partícula al mismo tiempo. Cuanto más precisamente intentemos medir la posición de una partícula, menos sabremos sobre su velocidad, y viceversa. Esto tiene importantes implicaciones en la comprensión de cómo funcionan las partículas subatómicas y cómo se comportan en el mundo cuántico.