En el año 1935 el físico austriaco Erwin Schrödinger propuso el famoso experimento mental del gato que está vivo y muerto a la vez para explicar las paradojas que produce la física cuántica. Lo que describía era una propiedad de la materia a niveles subatómicos conocida como superposición, que consiste básicamente en que una partícula, como un electrón o un fotón, puede estar en varios estados a la vez mientras no se colapse su función de onda.
Estas propiedades se han comprobado repetidamente en distintos experimentos, algunos de ellos con un dispositivo llamado interferómetro en el que se envían dos haces de luz desde una misma fuente y se comprueba cómo los fotones se superponen cuánticamente, es decir, que en un momento determinado no es posible determinar por qué camino han pasado hasta llegar al detector.
Los fotones que reflejan el gato no han pasado en ningún momento a través de él.
El experimento realizado ahora por el equipo de Anton Zeilinger y dirigido por Gabriela Barreto Lemos, es una especie de vuelta de tuerca a estos experimentos con haces de luz, filtros y espejos. Por resumirlo de manera sencilla, lo que han hecho los investigadores es crear un circuito en el que disparan un fotón de luz verde que puede recorrer varios caminos hasta llegar a un receptor y en un momento dado atraviesa una silueta en forma de gato (podría ser cualquier otro objeto, es un guiño al experimento de Schrödinger). La suma de muchos disparos de fotones individuales (que no de un haz) refleja la forma del objeto sobre una superficie. Descrito así no tiene el menor interés, obviamente, pero la gracia del experimento está en que los fotones que crean la imagen del gato no han pasado en ningún momento a través de él. Pero no se asuste todavía, que lo explicamos a partir del siguiente esquema del circuito.
El sistema dispara fotones individuales que pueden seguir cualquiera de los caminos.
Para la prueba, los científicos usan una especie de filtro que genera dos fotones de distintas longitudes de onda, o lo que es lo mismo, de diferentes colores. De este modo se pueden obtener fotones rojos o amarillos a partir del primer fotón. Para ello utilizan dos cristales no lineales (NL1 y NL2) que tienen la propiedad de convertir un fotón verde en un par de fotones amarillo y rojo. Como se puede observar en el esquema, cuando la luz verde atraviesa NL1, aparecen dos fotones, uno rojo y otro amarillo que ahora estarán entrelazados.
Los fotones rojo y amarillo siguen su camino hasta toparse con un cristal dicroico, que de nuevo actúa como una especie de filtro: deja pasar de largo el haz amarillo y refleja el rojo hacia el objeto del experimento (O), que en este caso es una silueta de 3 mm con forma de gato. Llegados a este punto son solo los fotones rojos los que han alcanzado el objeto. Sin embargo, el circuito sigue y tras pasar por el segundo cristal no lineal se genera un nuevo fotón amarillo que sigue avanzando. Mientras tanto, los fotones rojos son extraídos del sistema, se pierden, y solo los fotones amarillos llegan hasta el receptor donde refleja un gato. ¡Pero estos fotones amarillos no han interactuado directamente con el gato en ningún momento!
Los fotones amarillos llevan la información del objeto pero nunca han pasado por él.
"La mayor novedad del experimento", explica Barreto Lemos a Next, "es que los fotones utilizados para iluminar el objeto no se detectan en absoluto, mientras que los fotones detectados no interactúan con el objeto". Para entender mejor el experimento hay que tener en cuenta que los fotones pueden seguir cualquiera de los caminos descritos en el esquema, pero no podemos saber cuál siguen porque si miráramos interferiríamos en el sistema y el fotón no llegaría a su destino. Un fotón que amarillo que fuera por la ruta c–g (la que va por la parte superior derecha) también lleva la información del gato aunque no pase nunca por la silueta.
Los fotones rojos, que son los únicos que han “visto” al gato, son filtrados y no llegan nunca a su destino, aunque sí lo hace la información. "La imagen se produce por los fotones que han pasado por la ruta c-g", asegura la autora del trabajo publicado en Nature, "y por los que han pasado por NL2. En realidad, es la interferencia de los fotones amarillos originados en NL2 con los que pasan por c lo que origina la imagen en los detectores".
Los fotones amarillos pueden recrear la imagen del gato debido a que en su formación estaban entrelazados con los rojos. Eso quiere decir que de algún modo están correlacionados y que, en un sentido laxo, los fotones rojos ‘informan’ a los amarillos de que han pasado por el gato. Es por esto que se puede obtener la imagen del gato aún cuando ninguno de los fotones finales que llegan a las pantallas detectoras ha tenido contacto directo con el objeto fotografiado, el gato en este caso.
“El experimento abre un mundo de posibilidades técnicas”.
"Esto es un fenómeno sorprendente y nuevo", asegura el doctor en Física Teórica Enrique F. Borja, investigador de la Universidad de Sevilla que nos ha ayudado a entender el experimento. "Se han hecho cosas parecidas pero todas las anteriores son susceptibles de ser explicadas en términos de ondas electromagnéticas clásicas", añade. "Este experimento, por el contrario, no puede ser explicado en términos clásicos de ningún modo".
Lo interesante de este nuevo gato cuántico es que combinan varios de los fenómenos más desconcertantes de este campo de la física: desde la interferencia, por el hecho de tener que considerar todos los caminos posibles para una partícula para obtener el resultado de un experimento, hasta el entrelazamiento, que es lo que permite que los fotones amarillos reproduzcan la figura que ha sido atravesada por los fotones rojos. “Un bonito experimento”, concluye Borja, “que abre la puerta a un mundo de posibilidades técnicas aún por explorar y a un mejor entendimiento de los fundamentos de la mecánica cuántica”.
Referencia: Quantum imaging with undetected photons (Nature) doi:10.1038/nature13586
