Entrellaçament quàntic

Docent 

Joan Collet Oms

Centre educatiu

Institut Vallvera

Any de presentació a Ciència entre tots

2025

Llistat de material necessari

• 6 Plaques ESP32 30 pins
• 5 BTF-Lighting Tires leds NeoPixel WS2812B 1 Metre / 30 Leds / Protecció IP30
• 6 Cables USB Tipus A-B
• 2 Pantalla LCD 1602 I2C direccionable amb 2 connectors I2C mascle i un femella
• 6 bateries externes
• Filament per a impressió 3D (Imprimir 5 cilindres amb tapa i una caixa de comandament)
• Full de registre plastificat i retolador de pissarra (que es pugui anar esborrant)

Com ho fem?

Els objectius d’aquesta pràctica són:
1) Fer una simulació d’un entrellaçament quàntic entre dos electrons i que els participants en l’experiment puguin esbrinar quins dos electrons són.
2) Impressió en 3D de cilindres, tapes i caixa de comandaments
3) Programació de la simulació d’entrellaçament quàntic.

Com ho fem:
L’entrellaçament quàntic que en anglès es diu “Entanglement” és un fenomen quàntic que no té explicació a la física clàssica. Consisteix en el fet que l'estat quàntic de dos sistemes s'ha de descriure globalment, sense que es pugui separar la descripció de cadascun dels sistemes individuals, malgrat que puguin trobar-se espacialment separats. És a dir, és possible preparar dues partícules en un sol estat quàntic de manera que quan s'observa que l'una té l'espín amunt l'altra sempre tindrà l'espín avall, però no es pot predir quin estat quàntic s'observarà. Així, les mesures sobre un objecte semblen influir instantàniament sobre altres objectes entrellaçats amb aquest.

Una de les possibles aplicacions d’aquest fenomen d’entrellaçament és a la computació quàntica on es troben les memòries quàntiques, a on els elements essencials són els qubits. Per poder transmetre la informació, les memòries han de comunicar-se. La manera quàntica de fer-ho és mitjançant l’entrellaçament quàntic, és a dir, la superposició d’estats, en aquest cas d’un 0 i un 1.

Farem una simulació d’un entrellaçament quàntic utilitzant 5 cilindres que contenen tires LED que es poden posar de color vermell (simulant spin down de l’electró) o verd (simulant spin up de l’electró).

Cal imprimir en 3D 5 cilindres, 5 tapes i una caixa de comandament.

A dins de cada cilindre col·locarem una placa ESP32 STEAMakersMuntatge connectada a una bateria externa i una tira LED.

A dins la caixa de comandament muntarem la pantalla LCD i la placa que controlarà l’experiment i la seva bateria externa. Totes les plaques es comunicaran per Bluetooth. La caixa de comandament té dos polsadors, un per fer un altre experiment amb els mateixos electrons entrellaçats i un altre polsador per reiniciar una nova seqüència d’experiments amb 2 electrons novament entrellaçats de manera aleatòria.

Caldrà fer la programació de les 6 plaques de l’experiment en Arduino i pujar-ho cada placa prèviament.

Cal fer un registre en full plastificat per registrar els experiments de spin amb els participants.

Què observem?

Prémer un botó per iniciar la seqüència d’experiments i que dos cilindres (i, per tant, simuladament dos electrons quedin entrellaçats).

A cada experiment els cilindres s’il·luminaran amb llum verda o vermella aleatòriament, a excepció dels dos cilindres entrellaçats (que el programa també escull de manera aleatòria). Dels dos cilindres entrellaçats, un tindrà color vermell (spin down) i l’altre obligadament color verd (spin up).

Cal anar fent tants experiments com calgui fins que ens permetin deduir quins són els dos cilindres entrellaçats, i que, per tant, correspondria a les partícules amb entrellaçament quàntic. Cal anar apuntant els resultats de cada “tirada” en una làmina plastificada fins a trobar quines són les partícules entrellaçades. Seria adient utilitzar la simbologia fletxa amunt per spin up i fletxa avall per spin down.

En decidir quins són els cilindres entrellaçats, es pot finalitzar la seqüència d’experiments i a la pantalla LCD sortirà quins eren els que estaven entrellaçats perquè es pugui comprovar si la deducció feta és correcta.

Paraules clau

quàntic, impressió, programació

Grau de dificultat

Difícil

Durada de l'experiència

12 minuts

La podem reproduir utilitzant materials casolans/quotidians i no perillosos?

Sí

Bibliografia o webs relacionades