Experiencia Aspe

La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 23 de marzo de 2021; las comprobaciones requieren 19 ediciones .

El experimento de Aspe fue el primer experimento de mecánica cuántica en demostrar la violación de las desigualdades de Bell . Su resultado indiscutible permitió más pruebas de los principios de localidad y entrelazamiento cuántico . También se convirtió en una respuesta experimental a la paradoja EPR , propuesta hace unos cincuenta años por Albert Einstein , Boris Podolsky y Nathan Rosen .

El experimento fue realizado por el físico francés Alain Aspe en la École d'Supérieure OPTIQUE entre 1980 y 1982. La comunidad científica reconoció de inmediato la importancia de la experiencia, fue portada de la revista de divulgación científica Scientific American . Aunque la metodología de Aspe presenta un defecto potencial, la escapatoria , su resultado se considera decisivo y ha dado lugar a numerosos otros experimentos que han confirmado la experiencia original de Aspe [1] .

Los experimentos de Aspe (1980-1982)

En 1975, dado que todavía no había un experimento decisivo para probar las violaciones de las desigualdades de Bell y la validez del entrelazamiento cuántico, Alain Aspe propuso un experimento bastante riguroso en un artículo: un experimento propuesto para probar la inseparabilidad de la mecánica cuántica . [2] [3]

Alain Aspe , por persuasión, detalló así su experimento:

La fuente de partículas entrelazadas debería ser ideal en términos de reducir la duración del experimento y garantizar que la violación de las desigualdades de Bell sea lo más clara posible.
No solo debe mostrar las correlaciones en los resultados de la medición, sino también demostrar que estas correlaciones son, de hecho, el resultado de un efecto cuántico (y, por lo tanto, un efecto instantáneo) y no un efecto subluminal clásico.
El diseño experimental debe coincidir lo más posible con el de John Bell para demostrar sus desigualdades, de modo que la coincidencia entre los resultados medidos y predichos sea lo más cercana posible.

Esquema "ideal" de John Bell

La ilustración anterior muestra el diagrama de circuito en el que John Bell demostró su desigualdad: la fuente de fotones entrelazados S emite simultáneamente dos fotones y , cuya polarización está preparada para que el vector de estado de ambos fotones: ${\ estilo de visualización \ nu 1}$ ${\ estilo de visualización \ nu 2}$

$|\psi (\nu 1,\nu 2)\rangle ={1 \over {\sqrt {2))}\left\{|\uparrow ,\uparrow \rangle +|\rightarrow ,\rightarrow \ Correcto\}$

Esta fórmula simplemente significa que los fotones están en un estado de superposición : ambos están polarizados vertical, horizontal o linealmente con igual probabilidad.

Estos dos fotones luego se miden usando dos polarizadores P1 y P2, cada uno con ángulo de medición ajustable: α y β. El resultado de la medición de cada polarizador puede ser (+) o (-) dependiendo de si la polarización medida es paralela o perpendicular al ángulo de medición del polarizador.

Un punto digno de mención es que los polarizadores presentados para este experimento ideal dan un resultado medible en ambas situaciones (-) y (+). No todos los polarizadores reales son capaces de hacer esto: algunos, por ejemplo, detectan la situación (+), pero no pueden detectar nada en la situación (-) (el fotón nunca sale del polarizador). En los primeros experimentos se utilizó este último tipo de polarizador. Los polarizadores de Alain Aspe son mucho más capaces de detectar ambos casos y, por lo tanto, están mucho más cerca de un experimento ideal.

Dado el dispositivo y el estado de polarización inicial dado a los fotones, la mecánica cuántica puede predecir las probabilidades de medir (+, +), (-, -), (+, -) y (-, +) en polarizadores (P1, P2) orientada a los ángulos (α, β):

$P_{++}(\alpha ,\beta )=P_{--}(\alpha ,\beta )={1 \over 2}\cos ^{2}(\alpha -\beta )$

$P_{+-}(\alpha ,\beta )=P_{-+}(\alpha ,\beta )={1 \over 2}\sin ^{2}(\alpha -\beta )$

La máxima violación de las desigualdades de Bell se predice para | α-β | = 22,5°

Resultados de la experiencia

Las desigualdades de Bell establecen una curva teórica para el número de correlaciones (++ o --) entre dos detectores con respecto al ángulo de los detectores . La forma de la curva caracteriza las violaciones de las desigualdades de Bell. Las medidas correspondientes a la forma de la curva establecieron cuantitativa y cualitativamente una violación de las desigualdades de Bell. ${\ estilo de visualización (\ alfa - \ beta)}$

Los experimentos de Aspe confirmaron inequívocamente la violación, como lo predijo la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, socavando así el realismo local de Einstein en la mecánica cuántica y de variables locales ocultos . Además de la confirmación, la violación se confirmó de la manera exacta predicha por la mecánica cuántica , con un acuerdo estadístico de hasta 40 desviaciones estándar .

Dada la calidad técnica de la experiencia, la evitación escrupulosa de artefactos experimentales y el acuerdo estadístico casi perfecto, esta experiencia convenció a la comunidad científica en general de que la mecánica cuántica había violado las desigualdades de Bell y, por lo tanto, que la física cuántica no es local .

Límites de experiencia

Después de recibir los resultados, algunos físicos intentaron encontrar fallas en la experiencia de Aspe y encontrar oportunidades de mejora para contrarrestar las críticas.

Algunas posibles objeciones teóricas a la configuración experimental:

el aspecto cuasi-periódico de las oscilaciones en derivación dificulta la validez de la experiencia porque puede causar correlaciones a través de la cuasi-sincronización resultante de dos direcciones;
las correlaciones (+, +), (-, -), etc. se calcularon en tiempo real en el momento de la detección. Por lo tanto, dos canales (+) y (-) de cada polarizador se conectaron mediante circuitos físicos. Existía la posibilidad de correlaciones inducidas.

Un experimento ideal, que negaría cualquier posibilidad concebible de correlaciones inducidas, sería:

utilizar maniobras puramente aleatorias;
registre los resultados (+) o (-) en cada lado del dispositivo sin ninguna conexión física entre los dos lados. Las correlaciones se calculan después del experimento comparando los resultados registrados de ambas partes.

Las condiciones de experiencia también sufren de la laguna de detección [1] .

Conclusión

Actualmente (en 2018), la violación de las desigualdades de Bell en mecánica cuántica está claramente establecida . La violación de la desigualdad de Bell también se usa para algunos protocolos de criptografía cuántica , en los que se detecta la presencia de un espía al detener las violaciones de la desigualdad de Bell.

Como consecuencia, se debe reconocer la no localidad cuántica y el entrelazamiento .

¿La experiencia de Aspe desafía la causalidad relativista?

El tema surge de la noción ampliamente sostenida de que "un objeto cuántico es un estado que depende instantáneamente del estado de otro objeto con el que está entrelazado". Esta introducción de "influencia no local" se usa a menudo en revistas de divulgación científica y también (intencionalmente) por algunos científicos que se adhieren al realismo , incluido el propio Alain Aspe y Bernard d'Espagnate . [cuatro]

Hay tres opciones:

En primer lugar, los experimentadores sólo deberían utilizar cálculos con resultados consistentes con el experimento, sin recurrir a una explicación derivada de nuestra lógica "macroscópica". Este enfoque, derivado de la Interpretación de Copenhague , es el más aceptado entre los físicos. Se basa en el hecho de que ninguna explicación de los fenómenos EPR conduce a pruebas o predicciones medibles. Como consecuencia, la mayoría de los físicos creen que las explicaciones de esta experiencia están más allá del alcance de la ciencia (ver el criterio de falsificación de Karl Popper ). La mayoría de las explicaciones carecen realmente de formalización teórica. Por lo tanto, se utiliza un enfoque empírico y se pretende evitar ir más allá del campo científico. En su trabajo "El universo indiviso: una interpretación ontológica de la teoría cuántica", los físicos David Bohm y Basil Haley consideran infundadas las objeciones al principio de no localidad [5] . Respondiendo a aquellos que ven la aceptación de la no localidad como un obstáculo para el aislamiento científico y la observación de cualquier objeto en particular, Bohm y Haley argumentan que en el mundo macroscópico esta ciencia es posible porque la localidad no es esencial : la interpretación permite el mismo grado de sistema. separabilidad que se requiere para el " trabajo científico real". Contrastar la relatividad especial con la no localidad (ver la paradoja EPR ) es más difícil, pero Bohm, como John Stuart Bell [6] , señala que la señalización no juega un papel en el concepto de no localidad.

Bohm y Haley, como Bell, ven otros factores además de los científicos en el rechazo de la no localidad:

John Bell: Conferencia en el CERN (1990).	Haley y Bohm: Sobre las objeciones al concepto de no localidad. (1993)
La mera idea de una acción espeluznante a distancia repele a los físicos. Si tuviera una hora, te bombardearía con citas de Newton, Einstein, Bohr y toda esa gran gente. Te diría lo impensable que es poder cambiar una situación lejana haciendo algo aquí. Creo que los padres fundadores de la mecánica cuántica realmente no necesitaban los argumentos de Einstein sobre la necesidad de descartar la acción a distancia, porque estaban mirando hacia otra parte. La idea del determinismo o la acción a distancia les repugnaba tanto que le daban la espalda. Bueno, es una tradición, y tenemos que aprender a veces en la vida para aprender nuevas tradiciones. Y puede ser que no debamos tanto aceptar las acciones a distancia, sino también aceptar la insuficiencia de la "falta de acción a distancia". [6]	[Las objeciones a la no localidad] parecen corresponder más o menos con los prejuicios que prevalecen en la ciencia moderna. […] En las primeras etapas del desarrollo de la ciencia, hubo un largo argumento para abandonar lo que bien podría percibirse como supersticiones primitivas y nociones mágicas. La no localidad era claramente el concepto clave. Puede haber un temor profundamente arraigado de que la idea de la no localidad vuelva a abrir las compuertas que nos protegen de lo que se percibe como pensamientos irracionales que se encuentran debajo de la superficie de la cultura contemporánea. Incluso si lo fuera, no sería un argumento válido contra la no localidad [5]

La segunda posibilidad es que el entrelazamiento haya "unificado" los dos objetos presentes en la interacción: los dos objetos siguen siendo "uno" a pesar de su distancia espacial (" la no localidad de Bernard d'Espagnat "). Este distanciamiento puede ser incluso temporal: es básicamente espacio-temporal. Por el momento, no hay una explicación de lo que se considera el resultado de un experimento, y tampoco una explicación o interpretación de este resultado. Este enfoque, que tiene como objetivo explicar los hechos de un experimento, es el enfoque racionalista .
La tercera opción es cambiar nuestra concepción de causalidad y aceptar el principio de causalidad retrógrada (flujo causal del futuro hacia el pasado), que, sin embargo, no puede compararse con la " causa última " "teleológica" de los filósofos clásicos. . Nadie puede orientar los acontecimientos según el propósito: la naturaleza de la causalidad hacia atrás es idéntica a la causalidad tal como la entendemos (la "causalidad efectiva" de los filósofos clásicos), excepto que fluye hacia atrás con respecto al tiempo y puede "añadirse" a sí misma. causalidad «clásica». Esta interpretación requiere que la naturaleza irreversible del tiempo sea verdadera solo en una escala macroscópica ( la segunda ley de la termodinámica ). Muchos físicos se oponen a esta idea, como el físico y filósofo Etienne Klein, quien señala que el eje del tiempo , dice, está inscrito en las simetrías de la física de partículas. Esta interpretación tiene cierto éxito entre quienes desarrollan interpretaciones esotéricas del experimento, y lo utilizan para fenómenos parapsicológicos (discutibles en la comunidad científica, especialmente la precognición . Olivier Costa de Beauregard es famoso por defender tales tesis. [7] ) Pero esta interpretación claramente contradice los resultados del experimento, porque se llevaron a cabo con mayor frecuencia: la línea universal que conecta los eventos "dimensión P1" y "dimensión P2" del espacio-tiempo es una curvatura del espacio . De hecho, para refutar una posible interpretación alternativa de las correlaciones observadas en estos experimentos, los experimentadores tenían que demostrar que la "causalidad" relativista era, al menos parcialmente, incapaz de explicar estos resultados incluidos en los escenarios, tales como: el fotón informa al fotón por medio de algún proceso relativista acerca de su estado cuántico después de la primera medición…". Sin embargo, es bastante claro que las precauciones de los experimentadores para eliminar todas las explicaciones "causales" relativistas eliminan simultáneamente, según la opinión predominante, cualquier " retro-causal". Finalmente, para los seguidores del concepto principal, este concepto es una interpretación conjetural , y no se aplica realmente a los experimentos existentes, en su opinión, conduce a interpretaciones en la vanguardia de la ciencia, o incluso pseudociencia . , e involucra a la mecánica cuántica en una controversia a la que no pertenece. ${\ estilo de visualización \ nu 1}$ ${\ estilo de visualización \ nu 2}$

Ningún físico cree que los resultados del experimento EPR en general y del experimento Aspe en particular -en total acuerdo con la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica- desafían en modo alguno el principio de la relatividad, según el cual no hay forma de energía (materia o fuerza), y, por lo tanto, ninguna información útil puede viajar más rápido que la velocidad de la luz y, como resultado, no desafía el principio derivado de causalidad relativista. Es fácil demostrar que el entrelazamiento cuántico no se puede utilizar para transferir información instantáneamente de un punto del espacio-tiempo a otro. Los resultados medidos en la primera partícula son aleatorios; los cambios de estado en la otra partícula causados por estas mediciones, tan instantáneos como pueden ser según la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica y los resultados del experimento de Aspe, conducen a mediciones sobre la segunda partícula que aparentemente son igual de aleatorias: no se puede obtener información útil de la medición, y hasta que se comparen los resultados, las correlaciones permanecen indetectables. Este tipo de experimento demuestra la necesidad inevitable de una señal "clásica" en el sentido relativista para transmitir la información necesaria para detectar estas correlaciones. Sin esta señal, no se puede transmitir nada. Determina la tasa de transferencia de información, lo que confirma el principio fundamental de la relatividad. Como resultado, el principio de causalidad relativista es totalmente compatible con los resultados de los experimentos EPR.

Véase también

Teoría de parámetros ocultos
Superdeterminismo

Notas

↑ 1 2 Bailly. L'intrication quantique confirmée par une expérience de Bell sans faille (francés) ? . Pour la science (29 de octubre de 2015). Consultado el 2 de septiembre de 2016. Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2018. (indefinido)
↑ Nikseresht, Iraj. La physique quantique: orígenes, interpretaciones y críticas (francés) . - París: Elipses, 2005. - Pág. 235. - ISBN 978-2-7298-2366-5 .
↑ Alan; Aspecto. Experimento propuesto para probar la no separabilidad de la mecánica cuántica (inglés) // Physical Review D : revista. - 1976. - 15 de octubre ( vol. 14 , no. 8 ). - Pág. 1944-1951 . -doi : 10.1103 / PhysRevD.14.1944 .
↑ Véase, por ejemplo , Corrélations, Causalité, Réalité. Archivado el 25 de noviembre de 2018 en Wayback Machine (en francés).
↑ 1 2 Hiley, BJ; Bohm, David. El universo indiviso: una interpretación ontológica de la teoría cuántica . - Nueva York: Routledge , 1993. - P. 157-158. - ISBN 978-0-415-06588-7 .
↑ 1 2 Video de desigualdad de John Bell Archivado el 14 de noviembre de 2019 en Wayback Machine . 22 de enero de 1990.
↑ D'Einstein a la telepatía . Consultado el 23 de febrero de 2011. Archivado desde el original el 23 de febrero de 2011. (indefinido)

Enlaces

Videoconferencia sobre óptica cuántica (17 minutos), Alain Aspe , jefe de investigación del Instituto de Óptica de Orsay (en francés).
Centro de Filosofía Cuántica Archivado el 28 de octubre de 2019 en Wayback Machine .