Un gato de Cheshire cuántico

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Richard Feynman, quien es, junto con Albert Einstein, probablemente el científico del siglo XX del que más citas circulan por Internet dijo una vez: “Si crees que comprendes la mecánica cuántica, es que no comprendes la mecánica cuántica”. Nunca una frase ha demostrado ser más cierta y hoy traemos un ejemplo espectacular de ello.

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Investigadores de la Universidad de Oregón (EE.UU.) han medido experimentalmente la polarización de un fotón separada del propio fotón, es decir, han medido una de las características fundamentales de una partícula separada de la propia partícula. Exactamente como la sonrisa del gato de Cheshire de “Alicia en el país de las maravillas”, que puede aparecer independientemente de que lo haga el cuerpo. El efecto se había demostrado previamente con neutrones y también con luz en entornos clásicos, pero esta es la primera vez que se observa en fotones individuales.

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Para producir este efecto gato de Cheshire, los investigadores usaron el interferómetro de la imagen, en el que la luz producida por un láser (PL) llega a un separador (BS) que la divide en dos rayos, uno va por un camino y el otro por otro, alrededor de un circuito, en rutas que no son exactamente iguales, y entonces se recombinan en la entrada (de nuevo en BS). La polarización de la luz a la entrada es horizontal, pero en el circuito que se recorre en el sentido antihorario se puede cambiar a vertical. Cada recorrido incluye un dispositivo (HWP) para ajustar la polarización aún más y otro (Brewster’s-angle glass slide) se encarga de eliminar los fotones de una determinada polarización, lo que es equivalente a detectar su presencia.

El equipo de investigadores inyectó un solo fotón en el interferómetro de tal manera que en un instante dado solo había un fotón en el montaje y, cosas de la mecánica cuántica, viajaba por las dos rutas a la vez. Colocaron un polarizador horizontal (PBS) delante del detector de salida (signal detector) y fueron variando gradualmente la diferencia en longitud de las dos rutas. Esta variación provocó un patrón de interferencia característico en los fotones de salida solo cuando se alteraba la polarización en el circuito antihorario. Al mismo tiempo, el número promedio de fotones detectados disminuía solo cuando la luz era dispersada en circuito horario.

La demostración de que estos dos efectos diferentes ocurren al mismo tiempo en dos rutas para un mismo fotón demuestra que estamos ante el gato de Cheshire cuántico: se ha medido una propiedad independientemente de la partícula de la que es característica. Este efecto podría ser muy útil para mejorar la precisión de experimentos en los que una característica no deseada puede eliminarse de la que interesa medir.

Referencia:

James M. Ashby, Peter D. Schwarz, and Maximilian Schlosshauer (2016) Observation of the quantum paradox of separation of a single photon from one of its properties Physical Review A doi: 10.1103/PhysRevA.94.012102

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

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