Física cuántica en su forma más avanzada: partículas de luz alcanzan 37 dimensiones

Un equipo internacional de científicos llevó los límites de la física cuántica a un nuevo nivel al producir partículas de luz que operan simultáneamente en 37 dimensiones.

Este experimento, descrito en un artículo publicado en la revista Science Advances, representa un progreso significativo en la comprensión de los fenómenos cuánticos y podría abrir nuevas puertas para aplicaciones tecnológicas en sistemas de alta dimensionalidad.

Este logro se basa en la conocida paradoja de Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ), un concepto que desafía las explicaciones clásicas de la física.

La paradoja GHZ, formulada en 1989 por los físicos Daniel Greenberger, Michael Horne y Anton Zeilinger, es un ejemplo clave de cómo la mecánica cuántica contradice las teorías clásicas basadas en el realismo local. Este principio clásico sostiene que los objetos solo pueden ser influenciados por su entorno inmediato.

Sin embargo, la física cuántica introduce el fenómeno de la no localidad cuántica, donde partículas separadas por grandes distancias pueden influirse mutuamente de manera instantánea, algo que Albert Einstein describió como “acción fantasmal a distancia”. Este fenómeno desafía las leyes de la física clásica, que prohíben cualquier interacción más rápida que la velocidad de la luz.

El experimento, liderado por investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca, buscó explorar hasta qué punto las partículas de luz pueden comportarse de manera no clásica. Para ello, los científicos utilizaron fotones, las partículas fundamentales de la luz, y los manipularon para que existieran en un sistema de 37 dimensiones.

En términos simples, mientras los humanos perciben el mundo en tres dimensiones espaciales y una temporal, estos fotones requerían 37 puntos de referencia para describir su estado.

Zhenghao Liu, coautor del estudio, explicó a New Scientist que este experimento demuestra que “la física cuántica es más no clásica de lo que muchos de nosotros pensábamos”. Según Liu, incluso después de más de un siglo desde el descubrimiento de los principios cuánticos, los científicos apenas están comenzando a comprender la complejidad de este campo. “Podría ser que, 100 años después de su descubrimiento, todavía solo estemos viendo la punta del iceberg”, afirmó.

Para llevar a cabo este experimento, los investigadores adaptaron una versión de la paradoja GHZ a un sistema de luz coherente, es decir, luz con propiedades uniformes en términos de color y longitud de onda.

Este enfoque permitió a los científicos manipular los fotones con mayor precisión y observar los efectos cuánticos en un sistema de alta dimensionalidad. Este proceso resultó en la creación de los efectos cuánticos más “no clásicos” jamás registrados.

El equipo de investigación destacó que este avance no solo tiene implicaciones teóricas, sino que también podría tener aplicaciones prácticas en el futuro. “Creemos que este trabajo ha abierto varias avenidas para futuras investigaciones”, escribieron los autores en su artículo. Además, expresaron su esperanza de que estos hallazgos puedan ser utilizados para desarrollar ventajas cuánticas aún más significativas en sistemas de alta dimensionalidad.

La paradoja GHZ es un ejemplo fundamental de cómo la mecánica cuántica desafía las explicaciones clásicas. Según explicó New Scientist, esta paradoja puede expresarse matemáticamente de formas que parecen imposibles, como una ecuación donde 1 es igual a -1. Este tipo de contradicciones pone de manifiesto que las propiedades cuánticas no pueden ser descritas utilizando los principios de la física clásica.

En el caso del experimento reciente, los investigadores utilizaron la paradoja GHZ como base para diseñar un sistema que maximiza los efectos no clásicos. Esto les permitió explorar cómo las partículas cuánticas pueden comportarse de maneras que no tienen equivalente en el mundo macroscópico. Según los científicos, este tipo de investigaciones no solo amplía el conocimiento teórico, sino que también podría tener aplicaciones prácticas en áreas como la computación cuántica y las comunicaciones seguras.

El logro de crear partículas de luz en 37 dimensiones representa un paso importante hacia la comprensión de los sistemas cuánticos de alta dimensionalidad. Según los autores del estudio, este tipo de sistemas podría ofrecer ventajas significativas en comparación con los sistemas cuánticos tradicionales, que suelen operar en dimensiones más bajas.

Por ejemplo, los sistemas de alta dimensionalidad podrían ser más resistentes al ruido y a los errores, lo que los haría ideales para aplicaciones como la transmisión de información cuántica y el desarrollo de algoritmos más eficientes.

Además, este avance podría tener implicaciones en el diseño de nuevas tecnologías basadas en principios cuánticos. Según los investigadores, comprender mejor los sistemas de alta dimensionalidad podría permitir el desarrollo de dispositivos más avanzados y eficientes, desde sensores cuánticos hasta computadoras cuánticas de próxima generación.