Albert Einstein played a key role in launching quantum mechanics through his theory of the photoelectric effect but remained deeply bothered by its philosophical implications. And though most of us still remember him for deriving E=MC^2, his last great contribution to physics was actually a 1935 paper, coauthored with his young colleagues Boris Podolsky and Nathan Rosen. Regarded as an odd philosophical footnote well into the 1980s, this EPR paper has recently become central to a new understanding of quantum physics, with its description of a strange phenomenon now known as entangled states.
Albert Einstein jugó un papel clave en el lanzamiento de la mecánica cuántica a través de su teoría del efecto fotoeléctrico, pero quedó profundamente preocupado por sus implicaciones filosóficas. Y aunque la mayoría de nosotros todavía lo recordamos por derivar E = MC^2, su última gran contribución a la física fue en realidad un artículo de 1935, que escribió en conjunto con sus jóvenes colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen. Considerado como una extraña nota filosófica hasta la década de 1980, el artículo EPR se volvió clave para una nueva comprensión de la física cuántica, con su descripción de un fenómeno extraño ahora conocido como estados entrelazados.
The paper begins by considering a source that spits out pairs of particles, each with two measurable properties. Each of these measurements has two possible results of equal probability. Let's say zero or one for the first property, and A or B for the second. Once a measurement is performed, subsequent measurements of the same property in the same particle will yield the same result. The strange implication of this scenario is not only that the state of a single particle is indeterminate until it's measured, but that the measurement then determines the state.
El artículo comienza considerando una fuente que suelta pares de partículas, cada una con dos propiedades medibles. Cada medición tiene dos resultados posibles con igual probabilidad. Digamos cero o uno para la primera propiedad, y A o B para la segunda. Una vez que se hace la medición, mediciones posteriores de la misma propiedad en la misma partícula producirán el mismo resultado. La extraña implicación de este escenario no es sólo que el estado de una sola partícula es indeterminado hasta que se mide, sino que la medición determina entonces el estado.
What's more, the measurements affect each other. If you measure a particle as being in state 1, and follow it up with the second type of measurement, you'll have a 50% chance of getting either A or B, but if you then repeat the first measurement, you'll have a a 50% chance of getting zero even though the particle had already been measured at one. So switching the property being measured scrambles the original result, allowing for a new, random value.
Lo que es más, las mediciones se afectan entre sí. Si se mide una partícula como en el estado 1, y se sigue con el segundo tipo de medición, tendrás un 50% de posibilidades de conseguir ya sea A o B, pero si después repites la primera medición, tendrás un 50% de posibilidades de conseguir cero, a pesar de que la partícula ya había sido medida como uno. Así que cambiar la propiedad que se mide revuelve el resultado original, lo que permite un nuevo valor aleatorio.
Things get even stranger when you look at both particles. Each of the particles will produce random results, but if you compare the two, you will find that they are always perfectly correlated. For example, if both particles are measured at zero, the relationship will always hold. The states of the two are entangled. Measuring one will tell you the other with absolute certainty.
Las cosas se ponen aún más extrañas al fijarnos en las dos partículas. Cada una de las partículas producirá resultados aleatorios, pero si se comparan los dos, encontrarán que siempre están perfectamente correlacionados. Por ejemplo, si ambas partículas se miden como cero, la relación siempre se mantendrá. Los estados de las dos están entrelazados. Medir una, te dirá la otra con absoluta certeza.
But this entanglement seems to defy Einstein's famous theory of relativity because there is nothing to limit the distance between particles. If you measure one in New York at noon, and the other in San Francisco a nanosecond later, they still give exactly the same result. But if the measurement does determine the value, then this would require one particle sending some sort of signal to the other at 13,000,000 times the speed of light, which according to relativity, is impossible. For this reason, Einstein dismissed entanglement as "spuckafte ferwirklung," or spooky action at a distance. He decided that quantum mechanics must be incomplete, a mere approximation of a deeper reality in which both particles have predetermined states that are hidden from us. Supporters of orthodox quantum theory lead by Niels Bohr maintained that quantum states really are fundamentally indeterminate, and entanglement allows the state of one particle to depend on that of its distant partner.
Pero el entrelazamiento parece desafiar la famosa teoría de la relatividad de Einstein porque no hay nada que limite la distancia entre las partículas. Si se mide una en Nueva York al mediodía, y la otra en San Francisco un nanosegundo después, todavía dan exactamente el mismo resultado. Pero si la medición determina el valor, esto requeriría que una partícula enviara algún tipo de señal a la otra a 13 000 000 de veces la velocidad de la luz, que de acuerdo con la relatividad, es imposible. Por esta razón, Einstein desestimó el entrelazamiento como "spuckafte ferwirklung" o acción fantasmal a distancia. Decidió que la mecánica cuántica tenía que estar incompleta, una mera aproximación de una realidad más profunda en la que ambas partículas han predeterminado los estados que se ocultan a nosotros. Los partidarios de la teoría cuántica ortodoxa liderados por Niels Bohr argumentaban que los estados cuánticos están fundamentalmente indeterminados, y que el entrelazamiento permite que el estado de una partícula dependa del de su socia distante.
For 30 years, physics remained at an impasse, until John Bell figured out that the key to testing the EPR argument was to look at cases involving different measurements on the two particles. The local hidden variable theories favored by Einstein, Podolsky and Rosen, strictly limited how often you could get results like 1A or B0 because the outcomes would have to be defined in advance. Bell showed that the purely quantum approach, where the state is truly indeterminate until measured, has different limits and predicts mixed measurement results that are impossible in the predetermined scenario. Once Bell had worked out how to test the EPR argument, physicists went out and did it.
Por 30 años, la física estuvo en un callejón sin salida, hasta que John Bell descubrió que la clave para probar el argumento EPR consistía en observar casos que involucraran diferentes mediciones en las dos partículas. Las teoría de variables ocultas locales apoyada por Einstein, Podolsky y Rosen, estrictamente limitaban la frecuencia con la que se podría conseguir resultados como 1A o B0, porque los resultados tendrían que ser definidos con anterioridad. Bell mostró que el enfoque puramente cuántico, donde el estado es verdaderamente indeterminado hasta que se mide, tiene diferentes límites y predice resultados mixtos de mediciones que son imposibles en el escenario predeterminado. Una vez que Bell había trabajado en cómo poner a prueba el argumento EPR, los físicos fueron y lo hicieron.
Beginning with John Clauster in the 70s and Alain Aspect in the early 80s, dozens of experiments have tested the EPR prediction, and all have found the same thing: quantum mechanics is correct. The correlations between the indeterminate states of entangled particles are real and cannot be explained by any deeper variable. The EPR paper turned out to be wrong but brilliantly so. By leading physicists to think deeply about the foundations of quantum physics, it led to further elaboration of the theory and helped launch research into subjects like quantum information, now a thriving field with the potential to develop computers of unparalleled power.
Comenzando con John Clauster en los años 70 y Alain Aspect en los años 80, docenas de experimentos han puesto a prueba la predicción de EPR, y todos han encontrado la misma cosa: la mecánica cuántica es correcta. Las correlaciones entre los estados indeterminados de partículas entrelazadas son reales y no pueden ser explicadas por ninguna variable más profunda. El artículo EPR resultó estar equivocado, pero magistralmente, eso sí. Al impulsar a los físicos a pensar profundamente en los fundamentos de la física cuántica, condujo a una mayor elaboración de la teoría y a ayudar a lanzar la investigación a temas como la información cuántica, campo hoy floreciente, con potencial de desarrollar equipos de potencia sin igual.
Unfortunately, the randomness of the measured results prevents science fiction scenarios, like using entangled particles to send messages faster than light. So relativity is safe, for now. But the quantum universe is far stranger than Einstein wanted to believe.
Desafortunadamente, la aleatoriedad de los resultados medidos evita los escenarios de ciencia ficción, como usar partículas entrelazadas para enviar mensajes más rápido que la luz. Así que la relatividad está salvo, por ahora. Pero el universo cuántico es mucho más extraño de lo que Einstein quería creer.