¿Qué es el entrelazamiento cuántico? De acuerdo con Andreas Muller, profesor de física de la Universidad del sur de Florida, es un fenómeno que consiste en que ciertos aspectos de una partícula subatómica dependen de los aspectos de otra partícula, no importa qué tan lejos estén o qué haya entre ellas.
Pero ¿qué significa esto? Para entenderlo, necesitamos saber 3 cosas: qué estudia la mecánica cuántica, qué es una función de onda y qué es la superposición cuántica. Empecemos por él primero. La mecánica cuántica es una rama de la física que estudia el comportamiento de la materia y la luz a una escala atómica y subatómica. En otras palabras, estudia los átomos y partículas más pequeñas como los electrones, los quarks y los fotones.
Ahora, como explica Sabine Hossenfelder, física teórica de la Universidad Johann Wolfgang Goethe, para esto, los físicos usan un grupo de funciones matemáticas llamadas funciones de onda. Estas usualmente son denotadas con la letra griega Psi. Lo interesante es que estas funciones no describen las propiedades de las partículas subatómicas, sino más bien las probabilidades del resultado de una medición.
Por ejemplo, estas funciones te dicen qué tan probable es encontrar una partícula en un lugar particular. O te dicen qué tan probable es que encontremos una partícula con un espín en cierta dirección. El espín es una propiedad de las partículas subatómicas que se asemeja a la rotación de un cuerpo, aunque realmente estas no giran. Si esto te suena raro, no te preocupes, el mundo subatómico es sumamente extraño. Lo importante es entender que, así como una pelota puede girar en diferentes direcciones, las partículas subatómicas pueden tener espín en diferentes direcciones.
La tercera cuestión que debemos entender es la superposición cuántica. La superposición cuántica es un fenómeno que consiste en que cualquier partícula puede existir en muchos estados al mismo tiempo. Tomemos el espín como ejemplo.
Como mencionamos, las partículas pueden tener espín en diferentes direcciones. Este puede ser hacia arriba, hacia abajo, hacia la derecha, hacia la izquierda o en cualquier dirección. La función de onda nos dice las probabilidades de encontrar la partícula en cada estado si realizamos una medición.
Sin embargo, antes de esta medición, lo que afirma la mecánica cuántica es que el espín de la partícula está en todas las direcciones posibles. En otras palabras, su dirección es simultáneamente hacia arriba, hacia abajo, derecha, izquierda, etc. La dirección exacta solo es determinada cuando realizamos una medición. Nuevamente, esto suena muy raro, pero las matemáticas y un gran número de experimentos lo han verificado. Teniendo en claro lo anterior, ya estamos listos para explicar qué es el entrelazamiento cuántico.
El entrelazamiento cuántico sucede cuando el comportamiento de dos partículas es descrito por una misma función de onda. Pero ¿qué quiere decir esto? Don Lincoln, físico del Laboratorio Fermi de los Estados Unidos y codescubridor del top quark, lo explica de la siguiente manera.
Imagina que tienes dos partículas completamente independientes. Cada una de estas tiene una función de onda que la describe. Por ejemplo, cada una tiene su propio espín y su dirección no tiene nada que ver con la dirección del espín de la otra. Es como si tuvieras dos pelotas girando, cada una con su propia función matemática que describe su movimiento. Una podría girar hacia la derecha y otra hacia la izquierda. O ambas podrían girar hacia la derecha.
Lo que diferencia a las partículas subatómicas de las pelotas es que el espín de estas solo se determina cuando lo medimos. La función de onda de una de las partículas podría decirnos que tenemos un 50% de chance de encontrarlo hacia la derecha, o hacia la izquierda. Por otro lado, la función de onda de la otra partícula nos puede decir algo similar: tenemos un 50% de probabilidad de encontrarla con un espín hacia la derecha o hacia la izquierda. Si medimos el espín de las dos partículas, el resultado podría ser que ambas tienen una dirección similar o contrario.
Ahora, lo que nos dice la mecánica cuántica es que es posible preparar a dos partículas subatómicas de tal manera que la misma función de onda describa sus propiedades. Según Lincoln, esto es lo que los científicos llaman entrelazamiento. Pero ¿qué quiere decir esto? Veamos.
Imagina que tenemos una partícula subatómica. Para entender el fenómeno no necesitamos definir qué partícula es. Lo único importante es que asumamos que tiene un espín de 0. En otras palabras, su espín no tiene una dirección.
Ahora, imagina que tomamos esta partícula y la separamos en dos partículas más pequeñas. Si nada las perturba, ambas partículas permanecerán entrelazadas. De acuerdo con Lincoln, dado que el espín es una cantidad que se conserva, las dos partículas hijas deben tener, entre las dos, un espín de 0. Esto quiere decir que si encontramos que una de ellas tiene un espín en dirección hacia arriba, la otra tendría que tener un espín en dirección hacia abajo, para que la suma resultante sea 0.
Hasta acá, todo tiene sentido. Si la partícula padre no tenía espín, entonces suena lógico decir que la suma resultante de sus dos partículas hijas también tiene que ser 0. Sin embargo, la cuestión se complica cuando consideras que en el mundo subatómico las partículas se encuentran en un estado de superposición. Es decir que, si no las medimos, ambas tienen un espín hacia arriba, hacia abajo, a la derecha y así sucesivamente.
Digamos ahora que agarramos una de estas partículas y medimos su espín en el eje vertical. Al medir su espín, obligamos a la partícula a adquirir una dirección. Asumamos que el resultado de la medición es que su espín es hacia arriba. Lo que nos dice la mecánica cuántica es que, si medimos el espín de la otra partícula en su eje vertical, veremos que, en el 100% de los casos, la dirección de este será hacia abajo.
¿Y cuál es la diferencia entre este caso y el primero? Lo que los diferencia es que en el caso de partículas no entrelazadas, la dirección del espín de una no depende de la otra. A veces, encontraremos que tienen la misma orientación. Otras veces, no. Cada una tiene una propia función de onda que nos dice cuál es la probabilidad de encontrarlas en un estado u otro.
En contraste, en el caso de las partículas entrelazadas, si encontramos a una con una dirección particular, veremos que la otra tiene el 100% de las veces una dirección opuesta. No importa qué tan separadas estén. Esto es sumamente extraño, ya que las partículas subatómicas solo determinan esta propiedad al ser medidas. ¿Cómo sabe la segunda partícula qué dirección tomar?
De acuerdo con Lincoln, lo más extraño es que hoy podemos medir la dirección del espín de dos partículas tan rápido que incluso la luz no podría llegar de la primera a la segunda partícula antes de que su espín sea medido. Aún así, lo que nos dicen los experimentos es que en el 100% de los casos, la segunda partícula tiene un espín opuesto. Esto quiere decir que la información viaja de una partícula a otra a velocidades más rápidas que las de la luz. Algo que las leyes de la física prohíben.
Esta fue la razón por la que posiblemente llamó Einstein a este fenómeno “acción fantasmal a distancia” o en inglés “spooky action at a distance”. ¿Y cómo se explica este fenómeno? Lamentablemente, hasta el día de hoy, no tenemos una respuesta clara. De acuerdo con Lincoln, si bien hay algunas ideas, estas son muy extrañas, incluso más extrañas que la mecánica cuántica.
Así, el entrelazamiento cuántico es un fenómeno que conecta a dos partículas subatómicas, de tal forma que las propiedades de una dependen de las propiedades de otra, no importa qué tan lejos o cerca estén. Este es uno de los fenómenos más asombrosos que ha predicho la mecánica cuántica, aunque no tenemos una explicación clara de por qué esto es así. Para saberlo, tendremos que seguir investigando.
