Edunomia

Edunomia – Un diari sobre aspectes de la Universitat – per Miquel Duran

Explicant amb cartes el que són parells de fotons entrellaçats

Sabeu què és un parell de fotons entrellaçat?

Fa pocs dies La Vanguardia i mitjans de comunicació de tot el món es feien resssó de l’èxit d’un satèl·lit xinès que va enviar parells de fotos entrellaçats a dues ciutats de la Xina. Cada ciutat va rebre un fotó de cadascun dels parells. Un cop es disposa d’aquests fotons, es fan servir en noves formes de comunicació quàntica, en xarxes quàntiques i en criptografia quàntica, una forma molt segura d’enviar i rebre missatges (vegeu notícia a Boing-Boing i l’article original a la revista Science).

La comunicació quàntica, la criptografia quàntica… i en general, la mecànica quàntica és un tema ben difícil, perquè va contra la intuïció malgrat que és ben real. Per entendre una mica millor l’experiment esmentat, primer cal entendre l’experiment que va pensar Schrödinger amb el seu famós gat.

Carta de Schrödinger.

Agafeu una carta de baralla de pòker, ben barrejada. No la mireu, però poseu-la al cim de la taula. Diríeu que és negra o que és vermella? (negra: piques o trèbols; vermella: cors o diamants). No, no ho sabeu, evidentment… però al girar-la, veieu de cop si és vermella o si és negra.

En mecànica clàssica, la carta, encara que estigu de caps per avall, ja és vermella o és negra. Nosaltres no podem saber de quin color és, però sí que sabem que serà negra o vermella amb probabilitat 1/2 (o sigui, del 50%).

En mecànica quàntica, en canvi, la carta, si està de caps per avall, és vermella i negra a la vegada. No passa a ser vermella o negra fins que la girem i veiem que és vermella o negra. Això, lògicament, va contra la nostra intuïció. Però la natura és així. Abans de mirar-la es diu que la carta està en superposició d’estats: és negra i vermella a l’hora, no pas grisa ni d’un altre color. Quan s’observa (es mira), llavors en aquell mateix moment passa a ser vermella o passa a ser negra.

Parells de fotons no entrellaçats

Agafem altra vegada tot el joc de cartes, i barregem-lo ben bé. Aquest cop, però anem treguent parells de cartes, que posarem per parelles de forma horitzontal, fent dues files d’esquerra a dreta. Per exemple, treguem vuit parelles de cartes. Això és equivalent a generar 8 parelles de fotos no entrellaçats, com si haguéssim enviat vuit parelles de fotos a les dues ciutats xineses, des del satèl·lit artificial. En aquest cas, si aneu destapant les cartes, malgrat que abans de mirar-les cada carta era vermella o era negra, passa a ser vermella o negra amb independènca del color de la seva carta companya, la que forma part del mateix parell de fotons. A vegades un parell està format per dues cartes negres, d’altres vegades per dues cartes vermelles, d’altres la primera és vermella  la segona negra, i finalment una quarta possibilitat és que la primera sigui negra i la segona vermella.

Aquesta situació no és util per a la criptografia quàntica. Anem ara per als fotons entrellaçats:

Agafem les 52 cartes del joc de pòker, i generem parells de cartes entrellaçades segons el procediment senzill que us expliquem al final. Igual que abans, anem posant les parelles de cartes, de caps per avall, en dues fileres d’esquerra a dreta, una carta a dalt i una carta a baix. Abans de destapar-les, cada carta (en mecànica quàntica) és vermella i negra a la vegada. Però quan destapem la primera carta d’un parell, l’altra passa a ser instantàniament del color contrari. Això passa, si aneu destapant parells, amb la resta de cartes del cim de la taula. Ara ja no trobem mai que un parell estigui format per dues cartes del mateix color, sinó que si la primera és negra, la segona és vermella, i si la primera és vermella, la segona és negra. Això és anàleg al que passa amb els parells de fotos entrellaçats, els que el satèl·lit xinès va enviar a dues ciutats separades per molta distànca.

Abans de mirar els fotons (o abans de girar el parell de cartes), a la vegada cada parell és vermella/negra o negra/vermell, a la vegada. No pot ser vermella/vermella ni negra/negra. Però en girar-ne una, de carta (o en mirar un fotó del parell), l’altra (altre) passa a ser instantàniament del color contrari. Es tracta de l’efecte Einstein-Podalsk-Roden, que Einstein va descriure… i que mai no es va creure. Es tracta d’un efecte on a qualsevol distància, de forma instantània, l’acte d’observar un fotó influeix sobre l’altre.

Fa poc, a finals de 2016, es va dur a terme un experiment, on des de casa mateix podíem generar números aleatoris tot tocant tecles del nostre ordinador. Va servir per comprovar que els parells EPS existeixen realment, gairebé amb certesa 100%. No es poden explicar amb els nostres ulls clàssics, perquè és un fenòmen purament quàntic, però aquest joc de cartes potser ajuda a entendre’l.

Voleu saber-ne més i veure el vídeo on us ho expliquem, com fer servir les cartes en aquest cas?

Procediment per generar parells de cartes entrellaçades:

El joc de 52 cartes de pòker s’alternen vermelles/negres, és a dir, primera carta vermella, segona negra, tercera vermella, quarta negra, cinquena vermella, etc. Llavors, es talla per una carta de tal forma que es facin dos paquets, però on la carta de sota (visible) sigui de color diferent.

Un cop es tenen dos paquets amb els colors de sota contraris, es fa una barreja a la americana, no cal que sigui perfecta (gairebé millor que no en sigui, de perfecta). Un cop feta, es van agafant parelles de cartes que es van posant al cim de la taula, simulant els fotons entrellaçats. Veureu que a vegades sortirà vermella/negra, i a vegades negra/vermella, però sempre els colors seran contaris.

Nota: per què es generen parells de cartes de colors contraris, sense poder predir el seu ordre? Doncs degut al Principi de Gilbreath.

Copost entre Miquel Duran, Sílvia Simon i Fernando Blasco

 

Information

This entry was posted on 22/06/2017 by in Ciència and tagged .

Dies que he escrit…

September 2017
M T W T F S S
« Jun    
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
252627282930  

Categories

Arxiu