El Premio Nobel de Física distinguió a los pioneros en la ciencia de la información cuántica

La Academia Real de Ciencias de Suecia anunció esta mañana los ganadores del Nobel de Física 2022: el premio fue para el francés Alain Aspect, el estadounidense John F. Clauser y el austriaco Anton Zeilinger, por los experimentos con fotones entrelazados que establecieron la violación de las desigualdades de Bell, y su calidad de pioneros en la ciencia de la información cuántica.

El comunicado de la academia sueca destaca que los innovadores experimentos realizados por estos tres científicos, utilizando estados cuánticos entrelazados en los que dos partículas se comportan como una sola unidad -incluso cuando están separadas-, abrieron el camino para el desarrollo nuevas tecnologías basadas en información cuántica. En este sentido, el parte de prensa destaca que estos efectos de la mecánica cuántica empiezan a encontrar aplicaciones, así como que actualmente existe un gran campo de investigación que incluye computadoras cuánticas, redes cuánticas y comunicación cifrada cuántica segura.

Los entrelazamientos cuánticos y el teorema de Bell

Una de las claves de estos desarrollos tecnológicos reside en cómo la mecánica cuántica permite que dos o más partículas existan en lo que se denomina un “estado entrelazado”. En un par entrelazado, lo que le ocurre a una de las partículas determina lo que le sucede a la otra partícula, aun si se encuentran muy separadas.

“A escala atómica, las leyes de la naturaleza están dadas por lo que hoy conocemos como mecánica cuántica. Una característica distintiva es el entrelazamiento cuántico: para describir los estados físicos de varias partículas -por ejemplo, electrones y fotones- entrelazadas no podemos describir a cada una por separado, sino que forman un estado colectivo, por eso se dice que están entrelazadas. Lo que le pase a una de las partículas va a afectar a las otras aunque estén separadas a grandes distancias. El entrelazamiento es la característica principal que distingue a la fisca cuántica de la física clásica newtoniana. Estas propiedades antiintuitivas están muy bien establecidas y entendidas hoy en día”, explica Karen Hallberg, investigadora del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología –Nodo Bariloche (UE-INN-Nodo Bariloche, CONICET-CNEA) y profesora del Instituto Balseiro (IB, CNEA-UNCUYO).

Por su parte, Analía Zwick, también investigadora del CONICET en el INN y profesora del IB, comenta: “El entrelazamiento es una de las más fascinantes y controversiales características del mundo cuántico. Inspiró discusiones filosóficas, de ciencia ficción y abrió la puerta al desarrollo de aplicaciones y tecnologías revolucionarias. Que dos partículas estén descriptas por un estado cuántico entrelazado significa que no importa qué tan lejos espacialmente estén, siguen comportándose como una entidad. Si realizo una medición sobre una, la otra se verá afectada inmediatamente sin importar a cuántos miles de kilómetros esté. Dos partículas -fotones, átomos, algo diminuto que viva en el mundo gobernado por la física cuántica- me pueden formar un estado cuántico en el que cada partícula sigue manteniendo su “individualidad” y pueden formar estados cuánticos entrelazados en el que ahora estas partículas forman una única identidad. Sin importar espacialmente a qué distancias se encuentren, hay propiedades que las seguirán uniendo”.

Durante mucho tiempo, se pensó que esta correlación podía deberse a que las partículas en un par entrelazado contenían variables ocultas, instrucciones que les indican qué resultado deben dar en un experimento. En los años 60, el físico norirlandés John Stewart Bell desarrolló el “teorema de Bell”, también conocido como “desigualdades de Bell,” que estableció que si hay variables ocultas, la correlación entre los resultados de un gran número de mediciones nunca excederá un cierto valor. Sin embargo, la mecánica cuántica predice que cierto tipo de experimento violará la desigualdad de Bell.

“Las desigualdades matemáticas que propuso Bell en los años ‘60 destrabaron una larga discusión fundamental en cuanto a principios físicos, pero también muy filosófica sobre la naturaleza probabilística que rige el mundo cuántico. Ahí las cosas no son de una determinada forma, sino que hay cierta probabilidad de que sean de determinada forma. A Einstein esta idea nunca le gustó y estaba convencido de que debería haber variables ocultas que aún se desconocían para hacer un correcta y completa descripción de los sistemas cuánticos. La desigualdad de Bell permitió trasladar el debate filosófico a una idea de demostración experimental que afirma que la teoría de variables ocultas es incompatible con las predicciones probabilísticas de la mecánica cuántica. Esto motivó un gran desafío a nivel experimental para llegar a demostrar estas ideas. Finalmente, luego de muchas propuestas y esfuerzos a nivel experimental, experimentos realizados por los hoy galardonados demostraron que efectivamente los sistemas cuánticos violan las desigualdades de Bell, demostrando su naturaleza probabilística”, señala Zwick.

En el mismo sentido, Hallberg acota: “El entendimiento del entrelazamiento cuántico fue difícil de dilucidar. En 1935 Einstein, Podolsky y Rosen (EPR) publicaron un trabajo con un experimento pensado (Gedankenexperiment) en el que sostenían que la mecánica cuántica era una teoría incompleta y que necesariamente debía contener variables ocultas o no conocidas que intervenían en el entrelazamiento, suponiendo que las interacciones entre las partículas son locales y clásicas. En 1964, el físico John Stewart Bell postuló que si lo que decían EPR era cierto, entonces debían observarse ciertas desigualdades matemáticas entre los resultados de las mediciones de las propiedades de las partículas entrelazadas por separado. Finalmente se demostró que las mediciones violaban estas desigualdades, y por lo tanto, la teoría de EPR no era correcta, corroborando así las leyes de la mecánica cuántica y del entrelazamiento y mostrando la incompatibilidad con cualquier teoría de variables ocultas locales”.

El aporte de los galardonados y el desarrollo de las tecnologías cuánticas

John Clauser desarrolló las ideas de John Bell, dando lugar a un experimento práctico. Las mediciones que realizó dieron respaldo a la mecánica cuántica, al violar claramente una desigualdad de Bell. Esto significa que no es posible reemplazar a la mecánica cuántica por una teoría que recurra a variables ocultas.

“En 1972 John Clauser demostró experimentalmente la desigualdad de Bell, es decir, la existencia de estados cuánticos entrelazados. Fue midiendo correlaciones entre las polarizaciones de dos fotones (partículas de luz) que fueron creados en una transición de energía en un átomo. Sin embargo, hubo varios detalles técnicos que no permitieron que este experimento fuera del todo concluyente, pues la forma de generar y detectar los fotones podía tener un componente de causalidad y localidad en contraposición con la idea probabilística de la mecánica cuántica que se quería demostrar”, acota Zwick.

De acuerdo con Zwick, el aspecto de causalidad se resolvió y clarificó una década después, en 1982, cuando Alan Aspect mejoró el experimento evitando suposiciones sobre los fotones detectados, usando un esquema de detección de dos canales y variando la orientación de filtros de polarización de luz durante las mediciones. Mientras el aspecto de localidad fue resuelto en 1998 cuando Anton Zeilinger demostró el efecto de teletransportación, estableciendo las direcciones de polarización en las mediciones de fotones espacialmente distantes con generadores de números aleatorios cuánticos.

“Los tres galardonados realizaron experimentos cruciales para determinar el entrelazamiento entre partículas. En los 70, Clauser y sus colaboradores generaron un estado entrelazado de fotones que fueron emitidos por un átomo de calcio (luego de ser excitado con otra fuente de luz). Poniendo filtros especiales pudo medir la polarización de estos fotones (la polarización de la luz emitida por el átomo de Ca) y verificar la violación a la desigualdad de Bell, por ende, corroborando la existencia de un estado entrelazado. Alain Aspect en París y Anton Zeilinger en Viena luego mejoraron en forma independiente estos experimentos haciéndolos más precisos Con estos trabajos de gran precisión lograron observar el entrelazamiento inequívocamente, establecer uno de los pilares de la física cuántica y una nueva era de desarrollo de las tecnologías cuánticas. La primera revolución cuántica nos trajo los transistores y los láseres. Ahora, la segunda revolución cuántica se basa en las propiedades de entrelazamiento y, gracias a desarrollos tecnológicos de mucha precisión, da lugar a las computadoras cuánticas (todavía incipientes), a la comunicación y a los sensores cuánticos”, concluye Hallberg.