La revolución de las partículas entrelazadas: el Premio Nobel de Física 2022

Neil Vladimir Corzo Trejo en el Laboratorio de Tecnologías y fenómenos cuánticos.

Por Neil Vladimir Corzo Trejo, investigador del Laboratorio de Tecnologías Cuánticas del Cinvestav Querétaro  

La mecánica cuántica es el lenguaje que tenemos para entender el mundo de lo pequeño, desde átomos y moléculas, hasta fotones (partículas de luz). Ha dado lugar a las predicciones más precisas en el campo de la física, pero también es un pilar fundamental en la generación de la tecnología actual. Sin ella, no se explicarían los transistores ni los láseres que son la base de la electrónica y los sistemas de comunicación actuales, entre otras aplicaciones.

Sin embargo, desde su nacimiento a inicios del siglo pasado, la mecánica cuántica ha generado un gran número de dudas y debates sobre las interpretaciones de sus postulados y los resultados que de ellos se obtienen, como son su interpretación probabilística, el principio de superposición y el entrelazamiento cuántico.

Este último es una propiedad que pueden llegar a tener los estados (sean de átomos, moléculas, fotones, etc.) y que nos revela lo extraño e interesante que puede ser el mundo. Dos estados entrelazados de partículas comparten información sin un medio por el cual comunicarse y sin importar la distancia que los separe. Cuando alguien mide una propiedad de una partícula inmediatamente determina el estado de la otra y, por lo tanto, el resultado de la medición sobre esta.

Este punto de la mecánica cuántica generó una gran discusión entre los fundadores de este campo. Por un lado, científicos como Einstein estaban del lado del realismo local (local realism) en donde las propiedades físicas de los objetos existen independientemente de la medición (realismo), y donde las influencias sobre estas propiedades no pueden viajar a una velocidad superior a la velocidad de la luz (local)¹.

Por otro lado, científicos como Bohr y Schrödinger argumentaban que la realidad era fundamentalmente incierta y que las propiedades de las partículas se daban hasta el momento de la medición. En resumen, Einstein estaba en contra de la mecánica cuántica (la consideraba incompleta), mientras que Bohr y Schrödinger estaban totalmente a favor.

Para resolver estas discusiones, el físico John Bell propuso un experimento, y desarrolló de forma muy elegante y simple el teorema que lleva su nombre². Este describe matemáticamente las diferencias entre el realismo local y el entrelazamiento. Asumiendo realismo local a las correlaciones en las mediciones de partículas distantes deben de obedecer la inecuación propuesta en el teorema. Sin embargo, la mecánica cuántica predice una violación a la inecuación para el caso de partículas entrelazadas cuánticamente.

A partir del resultado de Bell, se empezaron a implementar experimentos formales para poder probar la validez o no del entrelazamiento, y por lo tanto la de la mecánica cuántica. Uno de los primeros resultados favorables y que fueron merecedores del Premio Nobel de Física 2022 fue el obtenido por John Clauser³, quien utilizó fotones polarizados para probar la violación a la inecuación de Bell. Aun con este resultado, existían algunos detalles experimentales (cabos sueltos) que daban esperanza al campo del realismo local.

Otro galardonado fue Alain Aspect y colaboradores, quienes años más tarde diseñaron e implementaron un experimento que cerraba uno de los “cabos sueltos” más importantes⁴. En él podían cambiar aleatoriamente el estado de la medición justo después de que los fotones fueran creados, con lo que se evitaba cualquier afectación durante la creación de los fotones debido al estado de la medición. El resultado fue el mismo, se violó la inecuación de Bell y la mecánica cuántica era la teoría correcta. 

Fue hasta 2015 que Anton Zeilinger y colaboradores pudieron implementar un experimento libre de estos “cabos sueltos” que todavía daban esperanza al realismo local⁵. Debajo del castillo Hofburg, en Viena, Austria, y utilizando sistemas experimentales avanzados (generación de fotones optimizada, detección altamente eficiente y números totalmente aleatorios, entre otros) se pudo verificar, con más de 11 desviaciones estándar, la validez de la teoría cuántica.

Más allá de las discusiones filosóficas de este resultado, lo realmente importante son las implicaciones tecnológicas que el entrelazamiento cuántico puede aportar a la sociedad.

Este recurso es un pilar fundamental de la ciencia de la información cuántica en combinación con la mecánica cuántica, pues nos ayuda a generar sistemas computacionales que son más eficientes que las computadoras actuales.

También es la base de redes cuánticas donde, además de aportar seguridad total al canal de comunicación, nos ayuda a la generación de repetidores cuánticos de la información. 

Con esta distinción, no solo se reconoce a Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger por sus grandes aportaciones a la ciencia, sino que nos recuerda lo increíblemente extraña y realmente fantástica que es la mecánica cuántica.

__________________

¹ A. Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen, Phys. Rev. 47, 777 (1935).

² J. S. Bell, Physics 1, 195 (1964).

³ S. J. Freedman and J. F. Clauser, Phys. Rev. Lett. 28, 938 (1972).

⁴ A. Aspect, J. Dalibard, and G. Roger, Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982).

⁵ M. Giustina, et al. Phys. Rev. Lett. 115: 250401 (2015).