Nobel de Física a la base de las tecnologías cuánticas

La Real Academia de las Ciencias de Suecia ha concedido el Premio Nobel de Física en la edición de 2022 a Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger “por los experimentos con fotones entrelazados, establecer las violaciones de las desigualdades de Bell y ser pioneros en la ciencia de la información cuántica”, según el jurado.

Cada uno de los tres investigadores ha realizado experimentos pioneros utilizando estados cuánticos entrelazados, en los que dos partículas se comportan como una sola incluso cuando están separadas. Los resultados han sido decisivos para desarrollar las nuevas tecnologías basadas en la información cuántica.

El todo es más que sus partes

El entrelazamiento es un concepto fundamental en la mecánica cuántica. En el mundo de lo macroscópico, si se conoce perfectamente la descripción de dos objetos por separado, se dispone de la información completa. Sin embargo, a escalas muy pequeñas se aplican las reglas de la mecánica cuántica, y saberlo todo sobre dos objetos (o partículas, como se suele llamar a los objetos cuánticos) no siempre es suficiente para conocer a fondo el sistema conjunto que forman. Cuando el todo es más que sus partes, existe entrelazamiento cuántico.

Además, cuando dos partículas están entrelazadas, lo que le ocurra a una determina lo que le ocurre a la otra. Averiguar una propiedad de una de las partículas permite conocer de inmediato la misma propiedad sobre la otra, incluso aunque las propiedades cuánticas de las partículas no están predeterminadas.

Supongamos que el color (blanco o negro) y el sabor (ácido o amargo) fueran propiedades de las partículas cuánticas. Supongamos también que, si dos partículas están entrelazadas, sus colores y sabores siempre son distintos. Entonces, si miro una de las partículas y veo que es negra, sé de inmediato que la otra es blanca. Si pruebo una y es amarga, sé que la otra es ácida. Pero hasta ahora no tiene por qué haber nada extraño: podría ser que la primera partícula es siempre negra y amarga y la segunda es siempre blanca y ácida.

Propiedades cambiantes

Pero las propiedades cuánticas no son fijas. Si miro una partícula y es blanca, luego la pruebo y luego la vuelvo a mirar, podría ser negra. Entonces, podemos diseñar un experimento para averiguar si las partículas están entrelazadas. Para ello, deberemos averiguar el color y el sabor de las partículas varias veces y anotar si siempre son distintos. Pero, con algunos cálculos matemáticos, nos daremos cuenta de que será clave que no decidamos de antemano qué propiedad averiguaremos en cada momento. Si lo hacemos, siempre podríamos buscar una explicación que no requiriera que las partículas fuesen cuánticas.

John Bell fue una de las primeras personas en proponer este tipo de experimentos en forma de desigualdades matemáticas. John F. Clauser desarrolló las ideas de Bell y decidió llevarlas a la práctica. Sus resultados experimentales constituyeron la primera manifestación de que el entrelazamiento existía.

Sin embargo, el experimento de Clauser dejó algunos cabos sueltos: debido a los detalles del funcionamiento de los aparatos en el laboratorio, no siempre era posible garantizar que la elección de qué propiedad medir no se había realizado de antemano. Alain Aspect mejoró el diseño y cerró una posible fuente de error importante. Desde entonces, los experimentos se han ido refinando cada vez más y hay pleno consenso científico de que el entrelazamiento existe en la naturaleza.

Diseñando la naturaleza

Más adelante, Anton Zeilinger realizó una larga serie de experimentos más refinados en los que utilizaba estados cuánticos entrelazados. Su grupo de investigación fue el primero en poner en práctica la “teleportación cuántica”, que permite trasladar todas las propiedades de una partícula cuántica (es decir, su estado cuántico) a otra, aunque estén separadas físicamente. Puesto que el estado cuántico contiene toda la información sobre una partícula, la teleportación permite enviar partículas a grandes distancias tan solo intercambiando información, sin necesidad de trasladar ningún objeto físico.

El entrelazamiento es la base de muchas de las tecnologías cuánticas que se están desarrollando actualmente. Maia G. Vergniory, investigadora del Max Planck for Chemical Physics of Solids en Dresde (Alemania) y del Donostia International Physics Center en Donostia-San Sebastián, dice al Science Media Centre España: “El trabajo que ha realizado la comunidad científica en los últimos 50 años, dando el paso de simplemente usar la física cuántica para entender la naturaleza a diseñarla, finalmente se ha visto recompensado”.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Un mito muy común es que las partículas entrelazadas se comunican entre sí de manera instantánea. Sin embargo, la comunicación instantánea es imposible: nada, ni siquiera la información, puede viajar más rápido que la luz. Si tenemos dos partículas entrelazadas, una en España y otra en Australia, y observamos la partícula española, podremos saber algo sobre la australiana, pero (aquí lo importante) quien esté en Australia no sabrá nada. Es decir, en España tendremos información sobre la partícula australiana en el momento de observar la española, pero esa información no viaja a Australia de manera instantánea.

REFERENCIAS (MLA):

• “The Nobel Prize In Physics 2022″. Nobelprize.Org, 2022, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/.
• Freedman, Stuart J., and John F. Clauser. “Experimental Test Of Local Hidden-Variable Theories”. Physical Review Letters, vol 28, no. 14, 1972, pp. 938-941. American Physical Society (APS), https://doi.org/10.1103/physrevlett.28.938.
• Aspect, Alain et al. “Experimental Tests Of Realistic Local Theories Via Bell’s Theorem”. Physical Review Letters, vol 47, no. 7, 1981, pp. 460-463. American Physical Society (APS), https://doi.org/10.1103/physrevlett.47.460.
• Bouwmeester, Dik et al. “Experimental Quantum Teleportation”. Nature, vol 390, no. 6660, 1997, pp. 575-579. Springer Science And Business Media LLC, https://doi.org/10.1038/37539.