Gravitationally Mediated Entanglement in Interferometers with Repeated Splitting

La relación entre los dos grandes pilares de la física moderna —la mecánica cuántica, que gobierna lo muy pequeño, y la gravedad, que gobierna lo muy grande— sigue siendo uno de los misterios más profundos de la ciencia. Durante décadas, los físicos se han preguntado si la gravedad es, en sí misma, una fuerza cuántica, capaz de entrelazar partículas tal como lo hacen la luz o el magnetismo. La visión estándar sugiere que si dos objetos se entrelazan únicamente a través de su atracción gravitatoria, entonces la gravedad debe ser de naturaleza cuántica. Sin embargo, probar esto es increíblemente difícil porque la gravedad es la más débil de todas las fuerzas, y los efectos cuánticos que podría producir se ven fácilmente anulados por el ruido ambiental. Para sortear esto, los investigadores han propuesto utilizar la interferometría de ondas de materia, una técnica en la que objetos diminutos se colocan en un estado de "superposición", existiendo efectivamente en dos lugares a la vez. Si dos de estos objetos, separados en el espacio, interactúan solo a través de la gravedad y se entrelazan, sería una señal poderosa de que la gravedad opera de acuerdo con las reglas cuánticas.

Un equipo de investigadores del University College London ha explorado ahora una versión más compleja de esta idea, preguntándose si dividir estos objetos en más trayectorias podría fortalecer la señal cuántica. En su estudio, analizaron un protocolo en el que dos masas diminutas no solo se dividen en dos trayectorias, sino que se dividen repetidamente una y otra vez, duplicando el número de rutas posibles que pueden tomar. Al simular este proceso con parámetros específicos, descubrieron que añadir estas etapas de división adicionales no destruye la delicada conexión cuántica; al contrario, puede aumentar significativamente la cantidad de entrelazamiento generado, incluso en presencia de ruido ambiental que usualmente anula tales efectos.

El núcleo de su trabajo consiste en un experimento mental con dos pequeñas esferas, cada una actuando como una partícula cuántica. Imaginen que estas esferas se colocan en un vacío, separadas por una distancia de 500 micrómetros. Los investigadores propusieron un método donde cada esfera es sometida a una serie de "divisiones" controladas. En la primera división, un campo magnético empuja la esfera hacia dos trayectorias distintas. En un experimento estándar, estas trayectorias eventualmente se recombinarían para ver si la esfera se ha entrelazado con su compañera. Pero en esta nueva propuesta, los investigadores sugirieron dividir las trayectorias nuevamente. Después de que la primera división crea dos trayectorias, una segunda operación divide cada una de esas trayectorias, resultando en cuatro trayectorías. Una tercera división crearía ocho, y así sucesivamente. Cada vez que las trayectorias se dividen, el número de rutas posibles se duplica, creando una compleja red de posibilidades donde las dos masas interactúan gravitatoriamente a través de muchas diferentes distancias simultáneamente.

Los investigadores estaban preocupados de que esta complejidad añadida pudiera ser un arma de doble filo. Más trayectorias significan más oportunidades para que el entorno perturbe el sistema, destruyendo potencialmente el entrelazamiento cuántico antes de que pueda ser medido. Modelaron el sistema utilizando dos esferas de diamante idénticas, cada una con una masa de 1.5 × 10⁻¹⁴ kilogramos, una masa lo suficientemente grande como para tener una atracción gravitatoria medible, pero lo suficientemente pequeña como para mantener un comportamiento cuántico. Simularon el trayecto de estas esferas durante un periodo de 10 segundos, teniendo en cuenta la atracción gravitatoria entre ellas y la inevitable "decoherencia" causada por el entorno, la cual modelaron como una tasa de ruido que oscila entre 0.005 y 0.030 por segundo.

Su análisis reveló una sorprendente resiliencia en la conexión cuántica. Descubrieron que el entrelazamiento generado por la interacción gravitatoria no se pierde fácilmente cuando el número de trayectorias aumenta. De hecho, las simulaciones mostraron que el protocolo de dos divisiones generó significativamente más entrelazamiento que la versión de una sola división en todos los niveles de ruido que probaron. Incluso en el escenario más ruidoso que consideraron, donde el entorno intentaba con mayor fuerza romper la conexión, el método de dos divisiones produjo un vínculo cuántico mucho más fuerte. Los investigadores derivaron una condición matemática para demostrar que añadir una división no puede reducir el entrelazamiento por debajo de cierto punto, garantizando efectivamente que la conexión cuántica persista.

Para hacer esto práctico, el equipo también consideró cómo leer los resultados. En un mundo perfecto, el experimento mantendría un registro detallado de qué trayectoria tomó cada esfera, permitiendo a los científicos reconstruir el estado cuántico completo. Sin embargo, en un escenario más realista donde la memoria interna del sistema se limita a solo dos estados, las trayectorias deben recombinarse de una manera específica para extraer la señal. Los investigadores desarrollaron una prueba precisa, basada en un chequeo matemático específico, para determinar si esta señal recombinada mostraría más entrelazamiento que un experimento más simple. Sus simulaciones confirmaron que, incluso con esta lectura limitada, el protocolo de dos divisiones superó al de una sola división. Al final de la simulación de 10 segundos, el método de una sola división mostraba una conexión cuántica muy débil, mientras que el método de dos divisiones mostraba una conexión casi tres veces más fuerte, a pesar de tener la misma cantidad de ruido ambiental.

El estudio también abordó una pregunta crítica: ¿acorta la complejidad añadida de las múltiples divisiones el tiempo que dura el entrelazamiento? Los investigadores demostraron que no es así. Mostraron que si el sistema está entrelazado después de la primera división, permanecerá entrelazado después de la segunda, independientemente de las fases gravitatorias acumuladas. Esto significa que añadir más etapas de división no hace que el estado cuántico sea más frágil; de hecho, proporciona más "espacio" para que la interacción gravitatoria construya un vínculo más fuerte. Los investigadores señalaron que, aunque su trabajo es actualmente una simulación, los parámetros físicos que utilizaron, como la masa de las esferas y la fuerza de los gradientes magnéticos, están dentro del alcance de lo que se propone para futuros experimentos.

Este trabajo sugiere una nueva dirección para sondear la naturaleza cuántica de la gravedad. En lugar de intentar aislar una única interacción perfecta, los científicos podrían ser capaces de aprovechar el poder de múltiples interacciones repetidas para amplificar la señal. Los hallazgos indican que la geometría del experimento —el número de trayectorias que toman las partículas— es una elección de diseño crucial. Al disponer cuidadosamente estas trayectorias, los investigadores pueden potencialmente superar las limitaciones del ruido y detectar los débiles susurros cuánticos de la gravedad. El estudio no afirma haber detectado la gravedad cuántica, pero proporciona un marco teórico robusto y un conjunto claro de condiciones bajo las cuales futuros experimentos podrían tener éxito. Ofrece una hoja de ruta sobre cómo construir pruebas más sensibles, mostrando que, con la configuración adecuada, la naturaleza cuántica de la gravedad podría estar al alcance de nuestros mejores interferómetros.