Primer experimento de contextualidad cuántica sin escapatorias

La contextualidad es esencial para explicar el poder de la computación cuántica y la seguridad de sus comunicaciones. Es una característica de la mecánica cuántica por la que no se puede considerar que las mediciones –sobre, por ejemplo, los átomos­– revelen de alguna forma valores preexistentes.

Ahora un equipo de investigadores de la Universidad Tsinghua en Pekín (China) ha logrado observar en el laboratorio la contextualidad cuántica en acción, eliminando variables que pudieran interferir. Los resultados, publicados en la revista Science Advances, “abren una vía para certificar sistemas cuánticos”, según los autores.

El experimento se ha planteado con dos iones, uno de iterbio y otro de bario, a los que se ha encerrado en una cavidad en un estado determinado. Después, mediante láseres, se los ha excitado para mirar si el ion ha emitido o no un fotón pasado un cierto tiempo. Es una especie de interrogatorio.

“Para hacer las preguntas al iterbio usamos un láser sobre ese ion, y para las del bario usamos otro láser diferente. A veces preguntamos primero a uno y luego al otro, y en otras ocasiones a los dos al mismo tiempo. Además, repetimos las preguntas”, explica el profesor Adán Cabello de la Universidad de Sevilla y uno de los autores del estudio.

“Así observamos que siempre cada ion da la misma respuesta a cada pregunta –continúa–. Esa persistencia en las respuestas nos llevaría a pensar que cada respuesta está almacenada, de alguna manera, en cada ion. Pero cuando comparamos todos los ensayos, observamos que esa explicación no es posible, puesto que los datos violan una desigualdad que tiene que cumplir cualquier modelo en el que las respuestas estén previamente definidas”.

Manos que se abren y cierran para entenderlo

“Para entender por qué es interesante”, apunta Cabello, “supongamos el siguiente juego. Sergio y Ana nos muestran sus manos, con los puños cerrados. Les pedimos que abran, por un instante, una mano cada uno. Solo una, y comprobamos si contiene algo o no. En cada ronda del juego, podemos pedir que abran la misma mano tantas veces como queramos”.

“Después de jugar muchas rondas, observamos que la mano abierta de Sergio siempre tiene algo o bien siempre está vacía. Y lo mismo ocurre con Ana. Si suponemos que, en cada ronda, Sergio y Ana tienen o no tienen algo en cada una de sus manos, se puede demostrar que la suma de unas ciertas probabilidades tiene un límite. Si llamamos S a esta suma, S no puede ser mayor que 2. Sin embargo, en nuestro experimento, S es 2,5. ¿Cómo es posible?”.

“Es posible –se responde el profesor–, porque Sergio es un ion de iterbio y Ana uno de bario. Un ion es un átomo cargado eléctricamente. En el experimento, los dos iones están encerrados en una trampa y se usan láseres distintos para hacer las medidas: para que abran las manos. Y en física cuántica hay que recordar que los sistemas no tienen propiedades cuando no se miden: las propiedades son relativas a las medidas”.

Cabello destaca la importancia de este experimento: “Es la primera vez en que, por un lado, las preguntas a Sergio no alteran las respuestas de Ana y viceversa; y por otro, al usar iones, Sergio y Ana siempre responden (no tienen escapatoria). En otros experimentos, por ejemplo con fotones, a veces no responden. Además, podemos repetir las medidas en el orden que queramos”.

“Es un experimento único que nos permite comprobar que todo sucede exactamente como predice la física cuántica –concluye–. El hecho de que tengamos un control tan preciso sobre sistemas tan delicados demuestra lo mucho que hemos avanzado”.

Referencia:

Pengfei Wang, Kihwan Kim et al. “Significant loophole-free test of Kochen-Specker contextuality using two species of atomic ions”. Science Advances, 2022.