Científicos en China han realizado un experimento propuesto por primera vez por Albert Einstein hace casi un siglo, cuando buscaba refutar el principio de complementariedad de la mecánica cuántica, propuesto por Niels Bohr y su escuela de físicos. Bohr afirmaba que existen propiedades de las partículas que no pueden medirse simultáneamente. El nuevo resultado respalda una vez más a la escuela de Copenhague, con el potencial de arrojar luz sobre otras cuestiones menos resueltas de la mecánica cuántica.
Cuando se encontraban en congresos de física, a Albert Einstein y Niels Bohr les gustaba relajarse y debatir sobre mecánica cuántica. Einstein, siempre escéptico respecto a la visión estándar de la mecánica cuántica que se estaba desarrollando entonces, solía afirmar que había encontrado lagunas e inconsistencias en la interpretación de Bohr, y Bohr siempre estaba dispuesto a aceptar el desafío.
En la conferencia Solvay de 1927 en Bruselas, los dos Premios Nobel mantuvieron quizás su diálogo más famoso, con la famosa declaración de Einstein: «Dios no juega a los dados con el universo». En particular, Einstein propuso un experimento que, según él, revelaría la contradicción esencial del principio de complementariedad, que sostenía que pares de propiedades de partículas, como la posición y el momento, la frecuencia y la duración, no pueden medirse simultáneamente. La complementariedad sustenta los conceptos de dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre de Heisenberg.
Einstein imaginó un experimento con dos rendijas estrechas alineadas horizontalmente. Con solo eso, las partículas dirigidas a las rendijas mostrarían franjas de interferencia en una pantalla situada detrás de ellas; este es el experimento estándar de doble rendija descrito por primera vez para la luz por Thomas Young en 1801 y realizado para los electrones en 1927, demostrando su naturaleza ondulatoria.
En una extensión de este experimento, Einstein propuso que las partículas pasaran primero por una única rendija, también alineada horizontalmente. Esta única rendija debía estar sujeta por arriba y por abajo mediante resortes sensibles al momento.
Así, las partículas que se dirigían hacia la parte superior de las dos rendijas posteriores impactarían un momento descendente en la rendija única al retroceder, mostrando su naturaleza de partícula. Pero después de las rendijas dobles y el patrón de interferencia resultante, se revelaría la naturaleza ondulatoria de las partículas. Sin embargo, tales franjas, según Einstein, contradecirían el principio de complementariedad. Bohr discrepó.
El experimento realizado por Jian-Wei Pan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y sus colegas respaldó la posición de Bohr; su artículo ha sido publicado en Physical Review Letters .
El argumento de Bohr era que, según el principio de incertidumbre, medir con precisión el momento de la partícula dejaría una gran incertidumbre en su posición, lo que resultaría en una difuminación de las franjas de interferencia. Esto es precisamente lo que se ha observado en la nueva investigación.
En el experimento de Pan y sus colegas, la partícula era un fotón, la partícula cuántica de luz, y quien actuaba como rendija única era un único átomo de rubidio (Rb) atrapado en su lugar mediante una pinza óptica .
El átomo se enfrió hasta alcanzar su estado fundamental en su potencial armónico tridimensional . En su diseño experimental, este átomo único actúa como un divisor de haz ultraligero , con su momento entrelazado con el momento del fotón entrante y la incertidumbre de su momento reducida a la de un solo fotón.
La variación de la profundidad de la trampa de las pinzas ópticas ajustó dinámicamente la incertidumbre del momento intrínseco del átomo de rubidio, lo que a su vez hizo que las franjas fueran más o menos borrosas, de acuerdo con el principio de complementariedad y la predicción de Bohr.
Una complicación fue el calentamiento del átomo, causado por las derivas de frecuencia en los láseres enfocados que formaban la trampa. Estos últimos aumentaban y disminuían la profundidad de la pinza, dispersando los fotones entrantes.
El equipo pudo calibrar el efecto del calentamiento del átomo extrayendo la temperatura residual mediante espectroscopia Raman de barrido en tiempo real.
La espectroscopia Raman utiliza luz láser para analizar vibraciones moleculares. La luz láser de una sola longitud de onda se dirige a una muestra. Si bien la mayor parte de la luz se dispersa elásticamente, sin cambios de energía, una pequeña fracción se dispersa inelásticamente y el cambio de frecuencia (energía) revela la presencia de enlaces químicos, composición e interacciones moleculares.
La relación entre la frecuencia más alta y la más baja es directamente proporcional a la población térmica de los modos vibracionales del átomo, que siguen una distribución de Bose-Einstein . De esta manera, se pudo extraer la temperatura del átomo.
Desde un punto de vista moderno, escriben los autores, «la visibilidad de la interferencia de Einstein-Bohr está determinada por el grado de entrelazamiento cuántico en el grado de libertad del momento entre el fotón y la rendija».
También investigaron la diferencia entre el límite cuántico y el calentamiento clásico de los estados de movimiento del átomo, lo que permite la observación de las transiciones cuánticas a clásicas.
Si bien el principio de complementariedad de la mecánica cuántica ha sido corroborado experimentalmente desde hace tiempo, comprender y resolver un antiguo y famoso debate basado en un experimento mental siempre es digno de mención. El equipo ahora prevé utilizar la tomografía de estados cuánticos para determinar el estado cuántico de la rendija cuántica, investigando directamente el entrelazamiento. Asimismo, el aumento gradual de la masa de la rendija permitirá investigar la interacción entre la decoherencia y el entrelazamiento.