Si bien se ha demostrado que las desigualdades de Bell son una herramienta óptima para descartar el realismo local en experimentos cuánticos, Lucas Clemente y Johannes Kofler de la División de Teoría del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica MPQ en Garching, Alemania, ahora han demostradoque las desigualdades nunca pueden ser óptimas para las pruebas de realismo macroscópico.
En un mundo clásico, los objetos tienen propiedades preexistentes, las influencias físicas son locales y no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz, y en principio es posible medir las propiedades de los sistemas macroscópicos sin alterarlos. Esto se conoce comorealismo local y realismo macroscópico, y la mecánica cuántica está en fuerte contradicción con ambos. Si bien se ha demostrado que las desigualdades de Bell son una herramienta óptima para descartar el realismo local en experimentos cuánticos, Lucas Clemente y Johannes Kofler de la División de Teoría del Max.El Instituto Planck de Óptica Cuántica MPQ en Garching, Alemania, ha demostrado que las desigualdades nunca pueden ser óptimas para las pruebas de realismo macroscópico. Sus resultados revelan una diferencia radical hasta ahora desconocida en las estructuras matemáticas de las correlaciones espaciales y temporales en la física cuántica, ytambién proporcionan una mejor herramienta para la búsqueda de estados felinos de Schrödinger PRL.116.150401, 15 de abril de 2016 .
Los sistemas de espín son un modelo muy simplificado y reducido de las interacciones entre las partículas que componen un material. En el más simple de estos modelos, cada partícula o "espín" solo puede estar en uno de dos estados posibles: "arriba" oLas interacciones entre partículas vecinas intentan alinearlas en la misma dirección o en la opuesta, lo que se conoce como modelo de Ising, en honor al físico Ernst Ising que lo estudió en su tesis doctoral de 1924.
“Los modelos en diferentes dimensiones o con diferentes tipos de simetrías muestran un comportamiento físico muy diferente. Nuestro estudio muestra que si se consideran modelos con fuerzas de acoplamiento irregulares, todas estas diferencias desaparecen ya que todos son equivalentes a modelos universales”, dice el Dr. GemmaDe las Cuevas del MPQ, Munich El realismo local es la cosmovisión clásica que asume que los objetos tienen propiedades preexistentes y ninguna influencia puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. En 1964, John Bell descubrió que estas suposiciones ponen límites a lo posiblecorrelaciones entre mediciones en objetos separados espacialmente. En el realismo local, las correlaciones espaciales deben obedecer ciertas desigualdades, que hoy se denominan desigualdades de Bell.
En 1984, Arthur Fine demostró que las desigualdades de Bell son óptimas en el sentido de que forman un límite estrecho para todas las teorías realistas locales. Eso significa que el conjunto de todas las desigualdades de Bell es necesario y suficiente para el realismo local: todas las teorías realistas localesobedecer las desigualdades de Bell y, a su vez, obedecer todas las desigualdades de Bell significa que existe una explicación realista local para los datos observados.Utilizando estados cuánticos entrelazados entre dos o más sistemas, como fotones o átomos, las desigualdades de Bell pueden ser violadas.Las violaciones se midieron repetidamente durante las últimas décadas con una perfección cada vez mayor. Por lo tanto, la visión del mundo del realismo local se ha descartado de manera concluyente experimentalmente.
Aunque la mecánica cuántica viola el realismo local, no permite la transmisión de información más rápido que la luz. Este supuesto de ausencia de señalización es uno de los pilares de la teoría de la relatividad especial. Una violación de la ausencia de señalización estaría en contradicción con la causalidady permitir la comunicación en el pasado. Por lo tanto, los experimentos cuánticos solo pueden violar las desigualdades de Bell, pero no la suposición de no señalización.
Igual de extraña que la violación cuántica del realismo local es la famosa paradoja del gato de Schrödinger, donde, en un experimento mental, se puede colocar a un gato en una superposición de estar tanto muerto como vivo. Hasta hoy, muchos físicos aceptan estados de superposición deobjetos microscópicos, pero están profundamente insatisfechos con el hecho de que la mecánica cuántica permitiría, en principio, un comportamiento tan extraño también en la escala macroscópica. La visión del mundo clásica llamada realismo macroscópico prohíbe tales estados de superposición macroscópica y afirma que los objetos macroscópicos pueden, en principio, medirse sin alterarsu estado.
En 1985, Anthony Leggett y Anupam Garg demostraron que el realismo macroscópico limita las posibles correlaciones temporales de las mediciones secuenciales realizadas en un solo sistema cuántico. Estas correlaciones temporales deben obedecer a las desigualdades, que ahora se denominan desigualdades de Leggett-Garg.
En los últimos años, las desigualdades de Leggett-Garg fueron violadas en muchos experimentos, aunque solo con sistemas cuánticos microscópicos, lo que no descartaba el realismo macroscópico. Si uno puede o no poner objetos macroscópicos, como gatos, en superposiciones no es experimentalmenteaún decidido y es una de las preguntas abiertas más emocionantes en los fundamentos de la física.
Aunque el realismo local se trata de correlaciones en el espacio entre al menos dos sistemas, y el realismo macroscópico se trata de correlaciones en el tiempo de un solo objeto, los dos conceptos tienen muchas analogías, y las correspondientes desigualdades de Bell y Leggett-Garg son matemáticamente casi idénticas.Sin embargo, el trabajo de Clemente y Kofler ahora ha revelado una desanalogía notable y hasta ahora desconocida. Con un sofisticado análisis dimensional de los espacios de probabilidad, pudieron demostrar que el teorema de Fine para el realismo local no se aplica al realismo macroscópico. En otras palabras, Leggett-Las desigualdades de Garg no forman un límite estrecho óptimo para las teorías macrorrealistas como lo hacen las desigualdades de Bell para el realismo local ver Figura.
Curiosamente, es la analogía temporal con el supuesto de ausencia de señalización lo que funciona. Este supuesto, denominado ausencia de señalización en el tiempo, exige que para los objetos macroscópicos los resultados de las mediciones posteriores no puedan depender de las mediciones anteriores. Se mantiene en el realismo macroscópicopero se viola en la mecánica cuántica. "En contraste con las desigualdades de Leggett-Garg, la combinación de todas las condiciones de no señalización en el tiempo es necesaria y suficiente para el realismo macroscópico. Esto revela una diferencia notable entre las correlaciones espaciales en las pruebas de realismo local ycorrelaciones temporales en pruebas de realismo macroscópico ”, explica Clemente.
En consecuencia, los experimentadores que pretenden violar el realismo macroscópico deberían dejar de centrarse en las desigualdades de Leggett-Garg, lo que han hecho durante tantos años. “Las desigualdades de Leggett-Garg limitan innecesariamente el espacio de parámetros en el que se pueden encontrar posibles violaciones del realismo macroscópicoLa ausencia de señalización en el tiempo no solo es una condición mejor, sino incluso óptima para los experimentos que intentan probar si puede haber gatos Schrödinger en la naturaleza ”, agrega Kofler. [LC / JK]
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Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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