Así resolvieron con un fotón y un átomo una paradoja cuántica que desveló a Einstein

A lo largo del siglo XX, la física cuántica transformó nuestra forma de entender el mundo subatómico, pero no sin controversias. Una de las más famosas fue la que enfrentó a dos titanes de la ciencia: Albert Einstein y Niels Bohr. En 1927, Einstein ideó un experimento mental para poner a prueba los límites del principio de complementariedad, una piedra angular del pensamiento cuántico defendida por Bohr. Aquella discusión, lejos de resolverse en su momento, se convirtió en una fuente inagotable de reflexión sobre la naturaleza de la realidad.

Casi un siglo después, un equipo de físicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China ha logrado recrear ese experimento de forma precisa y controlada. Mediante una configuración innovadora basada en un solo átomo de rubidio y fotones individuales, han conseguido validar la predicción cuántica de Bohr con una fidelidad sin precedentes. El estudio, publicado en Physical Review Letters, no solo zanja una vieja disputa conceptual, sino que abre nuevas vías para explorar fenómenos como el entrelazamiento y la decoherencia a niveles fundamentales.

Una vieja paradoja cuántica que se hace realidad

En su versión original, el experimento propuesto por Einstein consistía en una variante del clásico experimento de la doble rendija. En lugar de una barrera estática con dos aberturas, planteó que una de ellas —una rendija móvil— pudiera registrar el retroceso al ser atravesada por un fotón. Este retroceso permitiría, en teoría, saber por qué rendija había pasado el fotón, lo que revelaría su comportamiento como partícula. Al mismo tiempo, se esperaría observar un patrón de interferencia en la pantalla, una manifestación del carácter ondulatorio de la luz.

Esta coexistencia de comportamientos, según Einstein, parecía contradecir el principio de complementariedad propuesto por Bohr, que afirma que las propiedades ondulatorias y corpusculares no pueden observarse simultáneamente. Sin embargo, Bohr respondió que cualquier intento de medir con precisión la trayectoria del fotón afectaría inevitablemente al patrón de interferencia, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg.

“La visibilidad de la interferencia de un solo fotón puede ajustarse continuamente mediante la incertidumbre de momento intrínseca de la rendija en el régimen cuántico limitado”, explica el artículo, en referencia a la capacidad del experimento para controlar la transición entre el comportamiento ondulatorio y el corpuscular.

Un solo átomo como rendija móvil

Para hacer realidad este experimento mental, el equipo dirigido por Jian-Wei Pan utilizó un átomo único de rubidio enfriado hasta su estado fundamental de movimiento en las tres dimensiones. Este átomo actúa como una rendija cuántica ultraligera, con una incertidumbre de momento comparable a la de un solo fotón. Al interactuar con un fotón, el átomo puede absorber parte del momento y entrar en un estado entrelazado con él, una condición necesaria para reproducir el escenario propuesto por Einstein.

El átomo se mantiene atrapado mediante un “optical tweezer”, una especie de pinza óptica generada por un láser de 852 nm. Esta técnica permite controlar con precisión el confinamiento espacial del átomo y, por tanto, su distribución de momento. Al aumentar la profundidad de la trampa, se incrementa la localización espacial del átomo, lo que, por el principio de incertidumbre, implica una mayor dispersión en su momento. Esta propiedad es clave para observar cambios progresivos en el patrón de interferencia.

El control de este parámetro permite observar cómo la visibilidad del patrón de interferencia varía con el grado de entrelazamiento entre el fotón y la rendija. En palabras del equipo, “el experimento demuestra la transición gradual entre comportamientos de onda y partícula en función de la incertidumbre de momento de la rendija”.

Más allá del debate Bohr-Einstein

Aunque el experimento confirma el principio de complementariedad en los términos establecidos por Bohr, su valor va más allá de cerrar una discusión histórica. El montaje experimental diseñado por el equipo chino permite aislar con precisión los factores cuánticos de los clásicos, como el calentamiento del átomo o las perturbaciones del entorno. De este modo, han conseguido identificar con claridad el impacto del entrelazamiento cuántico en la visibilidad del patrón de interferencia.

Uno de los logros del estudio es su capacidad para distinguir el efecto puramente cuántico del retroceso inducido por un solo fotón de los efectos térmicos causados por la interacción con el entorno. Para ello, los investigadores utilizaron técnicas de enfriamiento por banda lateral Raman, que les permitieron mantener al átomo en su estado más estable durante el tiempo suficiente para realizar las mediciones.

Además, los autores anticipan que esta plataforma experimental permitirá explorar otras cuestiones abiertas de la física cuántica. Entre ellas, destacan la posibilidad de estudiar cómo influye el aumento progresivo de la masa de la rendija en el grado de entrelazamiento, lo que podría ofrecer nuevas pistas sobre los límites de la mecánica cuántica y la transición hacia el mundo clásico.

El papel clave del entrelazamiento cuántico

La visibilidad del patrón de interferencia depende directamente del grado de solapamiento entre los estados de momento del átomo tras recibir el impulso del fotón. Cuando este solapamiento es alto, la interferencia es clara; cuando es bajo, desaparece. Esta relación refleja el nivel de entrelazamiento entre el fotón y el átomo, lo que convierte al experimento en una herramienta ideal para estudiar este fenómeno.

Los resultados muestran que al aumentar el confinamiento del átomo, su función de onda en el espacio del momento se ensancha, facilitando así el solapamiento entre los dos caminos posibles del fotón. “La interferencia de un solo fotón se conserva solo cuando los estados de momento del átomo antes y después del retroceso son indistinguibles”, se explica en el paper .

Este tipo de control abre la puerta a futuros experimentos donde se podrá manipular el estado cuántico de la rendija para estudiar cómo cambia la visibilidad de la interferencia, lo que puede tener aplicaciones tanto en computación cuántica como en metrología de alta precisión.

Una herramienta para estudiar la transición cuántico-clásica

Uno de los aspectos más interesantes de este trabajo es su contribución al estudio de la llamada transición cuántico-clásica, el proceso por el cual los sistemas dejan de mostrar comportamientos cuánticos y pasan a regirse por las leyes de la física clásica. Esta transición suele estar asociada a fenómenos de decoherencia, en los que las interacciones con el entorno destruyen las propiedades cuánticas del sistema.

En este experimento, los investigadores lograron cuantificar el efecto de la decoherencia introducida por el calentamiento del átomo o por la acción de fuerzas externas, separándola del efecto puramente cuántico del entrelazamiento con el fotón. El análisis de la evolución temporal de la visibilidad del patrón de interferencia mostró cómo esta visibilidad disminuye con el tiempo, a medida que el átomo se desvía de su estado fundamental y entra en un estado térmico más amplio.

Gracias a este nivel de control, el equipo propone que su dispositivo puede utilizarse para estudiar con precisión cómo aparecen las propiedades clásicas en sistemas cuánticos. Este tipo de investigaciones son clave para entender fenómenos como la medida cuántica o la pérdida de coherencia en sistemas de mayor escala.

Cortesía de Muy Interesante

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