El 4 de octubre de 2022, la Real Academia Sueca de Ciencias otorgó el Premio Nobel de Física a Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger por sus innovadores experimentos con entrelazamiento cuántico. Dando el motivo del premio “por experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica”, el movimiento fue una importante validación para los físicos que estudian y manipulan la física en las escalas más pequeñas, el mundo cuántico subatómico.
Los tres físicos reconocidos por el comité del Nobel han estado en el corazón mismo de la cuántica, tomando algunos de los aspectos más contradictorios y absolutamente extraños de la física cuántica y no solo validando estos fenómenos sino haciéndolos utilizables. Tomarían una teoría presentada por John Bell que solidifica la mecánica cuántica como algo que no se ve en el mundo macroscópico cotidiano que nos rodea y la probarían experimentalmente, abriendo la puerta a una deslumbrante variedad de tecnologías como las computadoras cuánticas.
La acción ‘espeluznante’ del entrelazamiento
Uno de los elementos más sorprendentes y contrarios a la intuición de la mecánica cuántica es la idea de que dos partículas pueden existir en un estado entrelazado, unidas de tal manera que un cambio en una afecta instantáneamente a la otra. Las características de estas partículas entrelazadas no tienen un valor establecido hasta que interactúan con otro sistema o se miden.
Si eso no suena demasiado preocupante, considera que este cambio instantáneo ocurriría sin importar qué tan separadas estén las partículas entre sí. Así, si dos partículas están separadas por todo el universo, surgiría un cambio instantáneo si una partícula se mide con una o más de sus cualidades forzadas a tomar un estado.
Entonces, por ejemplo, los electrones tienen una cualidad llamada “giro”, el equivalente mecánico cuántico del momento angular con valores establecidos. Dos electrones entrelazados, A y B, existen en un estado en el que si uno tiene un giro “hacia arriba”, el otro debe tener un giro “hacia abajo”. No tienen un valor establecido, todo el sistema existe en “superposición” del electrón A “hacia arriba”. y abajo’/electrón B ‘arriba y abajo’.
Se mide el electrón A y la superposición del estado colapsa. Si su giro se mide como “hacia arriba”, eso significa que el electrón B en el otro lado del universo instantáneamente se convierte en giro “hacia abajo”.
Si dudas bien de esta afirmación ciertamente no estás solo, de hecho, estás en excelente compañía. El físico más famoso de la historia, Albert Einstein, estaba tan preocupado por el entrelazamiento que se refirió a él como “spukhafte Fernwirkungen” o “acción espeluznante a distancia”. El problema de Einstein con el entrelazamiento se debió en parte al hecho de que un cambio instantáneo en el estado de una partícula a través de un una gran distancia implica una señal que viaja entre las dos partículas más rápido que la velocidad de la luz.
En 1905, Einstein introdujo la teoría de la relatividad especial con una de sus condiciones clave: ninguna partícula con masa podría viajar más rápido que la luz. Sintió que el intercambio de información en el entrelazamiento amenazaba esto.
La acción instantánea del entrelazamiento también amenazó el concepto de realismo local. Este se compone de dos premisas; todas las partículas tienen propiedades definidas para todas las medidas posibles (realismo) y la comunicación entre partículas no puede ocurrir más rápido que la velocidad de la luz (localidad). Para que el entrelazamiento proceda como lo vieron los primeros físicos, uno de estos principios debe ser incorrecto.
Esto llevó a Einstein a sugerir que la mecánica cuántica, una teoría que él mismo ayudó a desarrollar, estaba incompleta y que debían existir “variables ocultas” en los sistemas cuánticos. Estos constituirían instrucciones que le dicen a las partículas qué valores tomar cuando se miden.
Einstein pasaría los últimos años de su vida ideando experimentos mentales en un intento de demostrar la existencia de variables ocultas. Junto con los físicos Boris Podolsky y Nathan Rosen, Einstein consolidó su teoría de la incompletud de la física cuántica en la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) en un artículo de 1935 titulado “¿Se puede considerar completa la descripción mecánica cuántica de la realidad física?” Fue la paradoja EPR que John Stewart Bell investigaría sentando las bases para el camino que eventualmente llevaría a Aspect, Clauser y Zeilinger al premio Nobel.
La mecánica cuántica no tiene nada que ocultar
En 1964, Bell desarrolló la idea de que si las variables ocultas de Einstein existen en los sistemas cuánticos, la correlación entre los resultados de un gran número de mediciones no podría superar un cierto valor. Esto se conocería como la desigualdad de Bell. La violación de esta hipótesis experimentalmente mostraría que no hay variables ocultas, demostrando que la física cuántica es completa.
En 1972, Clauser fue el primer físico en tomar la idea de Bell y demostrarla experimentalmente. Junto con el estudiante graduado de Berkeley Stuart Freedman, quien falleció en 2012, Clauser construyó un experimento para enviar dos fotones entrelazados en direcciones opuestas hacia filtros de polarización fijos. Los fotones serían bloqueados por los filtros o se les permitiría pasar para llegar a un detector. El éxito del viaje del fotón debería depender del ángulo en el que esté polarizado y el resultado obtenido debería mostrarse por su compañero entrelazado.
Los resultados obtenidos por Clauser y Freedman desafiaron lo que se hubiera esperado en la física clásica y coincidieron con la teoría cuántica a la perfección. Los resultados también implicaron que se violó la desigualdad de Bell y que no existen variables ocultas. Una década más tarde, en 1982, Aspect, físico de la Université Paris-Saclay y École Polytechnique, Francia, mejoró el experimento de Clauser y Freedman al agregar la capacidad de medir los fotones bloqueados por los filtros.
Nuevamente, este experimento mejorado demostró la violación de la desigualdad de Bell y la integridad de la teoría cuántica. Sin embargo, todavía había espacio para mejorar. Tres es compañía cuando se trata de física cuántica, al menos ese era el pensamiento de Zeilinger, quien hoy es científico senior en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria.
A fines de la década de 1990, Zeilinger agregó una tercera partícula entrelazada a los pares entrelazados utilizados por Clauser y Freedman, y luego en Aspect. Usó ese tercer fotón para entrelazar los otros dos fotones sin que esas partículas interactuaran. Esto reforzó aún más la idea de la no localidad cuántica demostrada por los físicos anteriores.
A partir de este punto de partida, los físicos pudieron comenzar a pensar en cómo se podría aplicar en la práctica la naturaleza no local de la física cuántica, lo que llevó al desarrollo de la criptografía cuántica. En esta práctica, las leyes de la física cuántica garantizan la seguridad y la privacidad de un mensaje intercambiado entre dos partes y pueden decirles si un intruso incluso ha intentado descifrar su código. La concesión del Premio Nobel de Física 2022 a estos científicos valida la “rareza” de la física cuántica y el trabajo de cientos de físicos de todo el mundo que estaban decididos a demostrar que hay más en la realidad de lo que parece.
Fuente: ZME Science.
