El premio Nobel de física[1] es uno de los galardones científicos más importantes del mundo, destinado a personas que han hecho invenciones, avances o descubrimientos significativos en esta área del conocimiento. El Premio Nobel de Física 2022 le fue otorgado a los científicos Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger “por experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica”.

Adentrémonos en el maravilloso (y complicado) mundo de la mecánica cuántica para conocer en mayor detalle el entrelazamiento cuántico, la teletransportación cuántica y los avances de la computación e informática.

Pero antes de comenzar, resulta pertinente realizar un comentario importante, la mecánica cuántica es una rama de la física muy especial y en ocasiones complicada de abordar, pues su naturaleza probabilística no tiene un análogo en el mundo macroscópico donde vivimos, por lo que muchos de sus resultados pueden sorprendernos y confundirnos; debido a esto, para un entendimiento más completo y profundo se requiere de cierta preparación científica por parte de cualquiera que esté realmente interesado en estos temas. Aquí abordaremos la esencia de las ideas y los descubrimientos, sin entrar en demasiados detalles sobre las cuestiones técnicas (no podemos jugar bien si no conocemos todas las reglas).

Entrelazamiento: el super poder del mundo cuántico

En años recientes la comunidad científica se ha interesado en desarrollar nueva tecnología utilizando propiedades muy especiales de la mecánica cuántica.

Uno de los fenómenos más interesantes es el entrelazamiento de estados cuánticos, que, en palabras simples, nos indica cómo la teoría permite que dos o más partículas pueden existir en un estado compartido, independientemente de qué tan apartadas estén. La importancia de este comportamiento radica en el hecho de que, en dichos estados, es posible medir alguna propiedad de una partícula e inmediatamente obtener una medición equivalente en la otra partícula sin necesidad de realizar y verificar la segunda medición.

La naturaleza cuántica de las partículas hace que estas no se encuentren en estados bien determinados antes de medirles una propiedad, sólo hasta que les medimos alguna es cuando, de acuerdo con la teoría, aleatoriamente toman un valor permitido.

Como una imagen mental, podemos pensar en una partícula como una pelota negra o blanca. Mientras no veamos la pelota (una forma de medir) ¡la pelota tiene un color negro y blanco al mismo tiempo! (estado indeterminado); sólo cuando la vemos (medimos) es que la pelota toma un color definitivo de forma aleatoria. Ahora bien, cuando las partículas están cuánticamente entrelazadas es como si una maquina lanzase 2 pelotas a 2 personas; cuando alguna de las personas ve el color de la pelota que atrapó, inmediatamente la otra pelota adquiere el color contrario.

Entonces surge la pregunta: ¿la correlación entre las partículas entrelazadas es debido a algún tipo de mecanismo o “variables ocultas” que les indique cuál resultado deben mostrar? O bien, en nuestra imagen mental esto sería ¿las pelotas poseen información secreta que les indica cuál color mostrar? Esto pone en una situación complicada a los científicos pues hay 2 caminos a tomar: la correlación entre partículas entrelazadas está determinada por la teoría cuántica (el azar) o hay una descripción alternativa mediante instrucciones o variables ocultas que no hemos descubierto.

John Clauser: el primero al rescate de la mecánica cuántica

Para responder a esta incógnita surgen las desigualdades de Bell[1], un concepto matemático que a grandes rasgos permite diferenciar entre los 2 enfoques antes mencionado, pues, si ponemos a prueba las desigualdades de Bell cada uno de los enfoques arroja un resultado particular:

• La existencia de variables ocultas haría que la correlación entre los resultados de un gran número de mediciones nunca exceda un cierto valor.
• La mecánica cuántica predice valores más altos para la correlación entre los resultados, violando la desigualdad de Bell.

Es entonces cuando John Clauser y colaboradores hacen sus aportaciones. Llevando al campo experimental las ideas de Bell, propusieron un experimento que consiste en lanzar pares de partículas entrelazadas (fotones) en direcciones opuestas, midiendo la propiedad de polarización con ayuda de filtros orientados de formas especiales.

Los resultados fueron reveladores ¡algunas mediciones violan la desigualdad de Bell! y todo parece indicar que la naturaleza se comporta como lo predice la mecánica cuántica, teoría que aparentemente superó la primera prueba para verificar su validez.

Alain Aspect: Aliado de la mecánica cuántica

La ciencia nunca se detiene, así ocurrió con las contribuciones de John Clauser, pues tras mostrar sus resultados aún quedaban algunos aspectos por resolver e investigar, principalmente debido a que el experimento fue generalmente ineficiente y algunos colegas cuestionaron el resultado.

Para aclarar las dudas remanentes, Alain Aspect mejoró el experimento inicial, dirigiendo fotones hacia dos filtros diferentes colocados en ángulos diferentes, dotando de mayor precisión al arreglo y concluyendo con un resultado fulminante y claro: la mecánica cuántica es correcta y no hay variables ocultas.

Regresando a nuestra imagen mental de las pelotas, esto quiere decir que no contienen información super secreta y el azar determina completamente qué color tendrá cada pelota en el experimento realizado.

Gracias a esto, se logró un mayor entendimiento del entrelazamiento cuántico de partículas y comenzó el desarrollo de nuevas aplicaciones.

Anton Zeilinger: ciencia ficción de la vida real

Un fenómeno interesante ocurre cuando un par de partículas entrelazadas viajan en direcciones opuestas, si una de ellas interactúa con una tercera partícula de algún modo se entrelazan, entonces entran en un nuevo estado compartido y las propiedades originales del par entrelazado se transfieren a la partícula solitaria. En otras palabras, ¡se puede transferir información cuántica entre sistemas sin pérdida de información en el proceso!

Esto es lo que conocemos con el increíble nombre de teletransportación cuántica, siendo Anton Zeilinger y su equipo de investigadores pioneros en desarrollar este tipo de experimentos. Ellos exploraron sistemas con más partículas entrelazadas, utilizando una nueva forma de excitar los átomos para que emitieran fotones entrelazados a mayores velocidades.

Con estos resultados, la capacidad de poder manipular estados cuánticos entrelazados y sus propiedades funge como la base para una nueva revolución tecnológica, la computación cuántica, el almacenamiento y la transferencia de datos.

Finalmente, gracias a estas mentes (y sus equipos de investigación) que se interesaron y apasionaron por el mundo cuántico, cada vez estamos más cerca de tener resultados realistas y cercanos a la vida cotidiana, muchos otros investigadores inspirados por estos personajes han entrado en esta rama de la ciencia, esforzados por manejar de formas ingeniosas la propiedad más poderosa del mundo cuántico.

Referencia

The Nobel Prize in Physics 2022. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Tue. 11 Oct 2022. <https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/>

[1] Propuesta por John Stewart Bell en los sesenta.

[1] El galardón es entregado por la fundación Nobel y consta de una medalla, un diploma personal y un premio económico que en 2022 fue de 10 millones de coronas suecas (casi 18 millones de pesos mexicanos) para los 3 ganadores.