El premio Nobel de Física 2022 le fue otorgado a Alain Aspect, de la Universidad de París-Saclay y de la Escuela Politécnica de Palaiseau, Francia; John Clauser, de J. F. Clauser and Associates, y Anton Zeilinger de la Universidad de Viena, “por sus experimentos con fotones entrelazados, que establecen una violación de las desigualdades de Bell y que son pioneros en la ciencia de la información cuántica”.
Este descubrimiento pertenece al fascinante mundo de la mecánica cuántica, área de la física que estudia el gran número de partículas elementales que existen en nuestro universo, su comportamiento y sus interacciones.
Hay muchos tipos de partículas elementales, sin embargo, toda la materia que nos rodea está compuesta de solamente tres de ellas: cuarks arriba, cuarks abajo y electrones. Las leyes que rigen el mundo cuántico son extrañísimas y desafían nuestra intuición. Por ejemplo, es posible que una partícula esté en muchos lugares al mismo tiempo, hasta que alguien la observa.
Una ilustración de este fenómeno es el famoso experimento mental del gato de Schrödinger, ideado por el físico austriaco-irlandés Erwin Schrödinger. En este experimento hay un gato encerrado en una caja. Dentro de ella hay un matraz con veneno y un dispositivo con una partícula radiactiva. Si el dispositivo detecta radiación, rompe el frasco, liberando el veneno que mata al gato. Entre el momento en que se libera el veneno y el que muere el gato, este estará vivo y muerto al mismo tiempo. Los científicos no entienden estos fenómenos cabalmente. De hecho, el gran físico Richard Feynmann famosamente comentó: “creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”.
No obstante, los ganadores del Nobel de Física de este año lograron avances sorprendentes en esta área del conocimiento: exploraron los llamados estados de entrelazamiento cuántico e impulsaron así una revolución sin precedentes de un enorme impacto en las comunicaciones.
El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos que intrigan más a los físicos. Cuando dos partículas se entrelazan, experimentan un fuerte vínculo que se mantiene incluso si las partículas están en lados opuestos del Universo. Entonces, si una de las partículas está en un “estado cuántico” particular, la otra experimenta el mismo estado. ¿Qué quiere decir esto? Que si una partícula tiene una propiedad y se puede medir, sabremos inmediatamente que la partícula entrelazada también la tendrá.
Para aclarar esto, imaginemos que tenemos dos bolas de billar, una negra y una blanca, sobre una mesa. Alguien lanza las dos en direcciones opuestas, una de ellas en nuestra dirección. Si la bola blanca llegó a nuestras manos, sabremos, sin lugar a dudas, que la negra se lanzó en la dirección contraria. Del mismo, modo, si una partícula tiene un estado cuántico, sabremos el estado cuántico de su partícula entrelazada.
Pero, hay una diferencia fundamental entre el experimento con partículas y con bolas de billar: si dos partículas están entrelazadas no podemos saber su estado cuántico hasta observarlas. El equivalente a esta propiedad en las bolas de billar sería que las dos bolas fueran grises hasta el momento en que alguien las observara; entonces, una se volvería blanca y la otra negra. En otras palabras, el color de las bolas de billar está “indeterminado” hasta que un observador lo “mida”.
Trasladado a las partículas, esto significa que una partícula adopte un cierto estado hasta que alguien la observa y es un efecto que intrigó a Albert Einstein. Él pensaba que no era posible que una partícula necesitara de un “efecto fantasmagórico a distancia” para elegir un estado. No obstante, el físico estaba equivocado y este efecto sí existe en el mundo cuántico.
Una parte importante del trabajo de Aspect, Clauser y Zeilinger fue una investigación teórica sobre las desigualdades de Bell. Estas hacen que sea posible distinguir entre los estados indeterminados y la posibilidad de que hubiera variables ocultas que provocaran que las partículas adoptaran un estado cuántico o, en nuestro ejemplo, que bolas de billar tomaran un color u otro. Los experimentos han demostrado que no existen tales variables ocultas y que el estado del sistema se determina por el azar.
Pero, ¿por qué es interesante el entrelazamiento cuántico? La respuesta es que gracias a este fenómeno podemos enviar y procesar información a través de la teletransportación cuántica, una técnica que se usa para transmitir información cuántica desde una ubicación de origen a un destino que está localizado a una cierta distancia.
La palabra “teletransportación” aparece continuamente en las historias de ciencia ficción. Por ejemplo, en la serie televisiva Star Treck, los tripulantes de la nave Enterprise se teletransportan desde su vehículo hasta la superficie de algún planeta. La teletransportación de seres humanos o cualquier tipo de materia aún es imposible, pero sí es posible enviar información de un lado al otro del espacio-tiempo.
Una de las aportaciones de los galardonados fue que lograron teorizar la teletransportación cuántica, que hoy en día ya se lleva a cabo exitosamente, de manera experimental, en varios laboratorios alrededor del mundo, incluyendo al laboratorio de Óptica Cuántica del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM.
Si dos partículas entrelazadas viajan en direcciones opuestas y una de ellas se encuentra con una tercera partícula, de modo que se entrelaza con la segunda, la tercera partícula pierde sus propiedades y estas se transfieren a la primera partícula. Esto se conoce como teletransportación cuántica”. Este experimento lo llevaron a cabo por primera vez en 1997 Anton Zeilinger y sus colegas. La teletransportación cuántica es el único modo de transmitir información cuántica de una partícula a la otra, sin perder información en el camino.
En un segundo experimento se entrelazaron dos fotones, que nunca habían estado en contacto con el otro. Los fotones se pueden enviar en direcciones opuestas a través de fibra óptica y mandar información entre ellos. La idea es enviar la información a distancias cada vez mayores.
Gracias a este avance, las computadoras cuánticas podrán transferir y almacenar información cuántica, lo que las hará mucho más eficientes que las computadoras actuales. Ya los cientificos e ingenieros del todo el mundo están enviando sistemas cuánticos a través de partículas entrelazadas y separadas por kilómetros de distancia, a través de una fibra óptica o usando satélites. Sin duda alguna, estamos viendo el inicio de una emocionante revolución cuántica, que traerá sorprendentes avances en el futuro.
es comunicadora de la ciencia en el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM
