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La Academia Sueca de Ciencias decidió otorgar el Premio Nobel de Física 2022 a Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger, por sus "experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell" y por ser "pioneros en la ciencia de la información cuántica".

Alain Aspect, nacido en junio de 1947 en Agen, Francia, investigador de la Université Paris-Saclay, Paris, France, École Polytechnique, Palaiseau (Francia); John F. Clauser, nacido en Pasadena, Estados Unidos, en diciembre de 1942 y actualmente en J.F.Clauser y Asociados (California, EEU); y Anton Zeilinger, nacido en mayo de 1945 en Ried im Innkreis, Austria, son los tres galardonados con el Premio Nobel de Física 2022 que concede la Academia Sueca de Ciencias.

"Usando experimentos innovadores, los tres científicos han demostrado el potencial para investigar y controlar partículas que se encuentran en estados entrelazados", informa la Academia en su comunicado, y agrega que "lo que le sucede a una partícula en un par entrelazado determina lo que le sucede a la otra, incluso si en realidad están demasiado separadas para afectarse entre sí. El desarrollo de herramientas experimentales de los laureados ha sentado las bases para una nueva era de la tecnología cuántica".

Cómo el entrelazamiento se ha convertido en una herramienta poderosa

Usando experimentos innovadores, Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger han demostrado el potencial para investigar y controlar partículas que se encuentran en estados entrelazados. Lo que le sucede a una partícula en un par entrelazado determina lo que le sucede a la otra, incluso si en realidad están demasiado separadas para afectarse entre sí. El desarrollo de herramientas experimentales de los laureados ha sentado las bases para una nueva era de la tecnología cuántica.

Los fundamentos de la mecánica cuántica no son solo una cuestión teórica o filosófica. Se están llevando a cabo intensas investigaciones y desarrollos para utilizar las propiedades especiales de los sistemas de partículas individuales para construir computadoras cuánticas, mejorar las mediciones, construir redes cuánticas y establecer una comunicación cifrada cuántica segura.

Muchas aplicaciones se basan en cómo la mecánica cuántica permite que dos o más partículas existan en un estado compartido, independientemente de la distancia entre ellas. Esto se llama entrelazamiento y ha sido uno de los elementos más debatidos de la mecánica cuántica desde que se formuló la teoría. Albert Einstein habló sobre la fuerte acción a distancia y Erwin Schrödinger dijo que era el rasgo más importante de la mecánica cuántica.

Los laureados de este año han explorado estos estados cuánticos entrelazados y sus experimentos sentaron las bases de la revolución que se está produciendo actualmente en la tecnología cuántica.

Lejos de la experiencia cotidiana.

Cuando dos partículas están en estados cuánticos entrelazados, alguien que mide una propiedad de una partícula puede determinar inmediatamente el resultado de una medición equivalente en la otra partícula, sin necesidad de verificar.

Lo que hace que la mecánica cuántica sea tan especial es que sus equivalentes a las bolas no tienen estados determinados hasta que se miden. Es como si ambas bolas fueran grises, hasta que alguien mira una de ellas. Luego, puede tomar al azar todo el negro al que tiene acceso el par de bolas, o puede mostrarse como blanco. La otra bola se vuelve inmediatamente del color opuesto.

Pero, ¿cómo es posible saber que las bolas no tenían cada una un color fijo al principio? Incluso si parecían grises, tal vez tenían una etiqueta oculta en el interior que decía de qué color debían ponerse cuando alguien los miraba.

¿Existe el color cuando nadie está mirando?

Los pares entrelazados de la mecánica cuántica se pueden comparar con una máquina que arroja bolas de colores opuestos en direcciones opuestas. Cuando Bob atrapa una pelota y ve que es negra, inmediatamente sabe que Alice ha atrapado una blanca. En una teoría que usa variables ocultas, las bolas siempre habían contenido información oculta sobre qué color mostrar. Sin embargo, la mecánica cuántica dice que las bolas eran grises hasta que alguien las miró, cuando una se volvió blanca al azar y la otra negra. Las desigualdades de Bell muestran que hay experimentos que pueden diferenciar entre estos casos. Tales experimentos han probado que la descripción de la mecánica cuántica es correcta.

Una parte importante de la investigación que se premia con el Premio Nobel de Física de este año es una idea teórica llamada desigualdades de Bell. Las desigualdades de Bell permiten diferenciar entre la indeterminación de la mecánica cuántica y una descripción alternativa utilizando instrucciones secretas o variables ocultas . Los experimentos han demostrado que la naturaleza se comporta según lo predicho por la mecánica cuántica. Las bolas son grises, sin información secreta, y el azar determina cuál se vuelve negra y cuál se vuelve blanca en un experimento.

El recurso más importante de la mecánica cuántica

Los estados cuánticos entrelazados tienen el potencial de nuevas formas de almacenar, transferir y procesar información.

Suceden cosas interesantes si las partículas de un par entrelazado viajan en direcciones opuestas y una de ellas se encuentra con una tercera partícula de tal manera que se entrelazan. Luego entran en un nuevo estado compartido. La tercera partícula pierde su identidad, pero sus propiedades originales ahora se han transferido a la partícula solitaria del par original. Esta forma de transferir un estado cuántico desconocido de una partícula a otra se denomina teletransportación cuántica. Este tipo de experimento fue realizado por primera vez en 1997 por Anton Zeilinger y sus colegas.

Sorprendentemente, la teletransportación cuántica es la única forma de transferir información cuántica de un sistema a otro sin perder ninguna parte de ella. Es absolutamente imposible medir todas las propiedades de un sistema cuántico y luego enviar la información a un destinatario que quiere reconstruir el sistema. Esto se debe a que un sistema cuántico puede contener varias versiones de cada propiedad simultáneamente, donde cada versión tiene una cierta probabilidad de aparecer durante una medición. Tan pronto como se realiza la medición, solo queda una versión, a saber, la que fue leída por el instrumento de medición. Los demás han desaparecido y es imposible saber nada de ellos. Sin embargo, propiedades cuánticas completamente desconocidas pueden transferirse mediante teletransportación cuántica y aparecer intactas en otra partícula.

Una vez que esto se demostró experimentalmente, el siguiente paso fue utilizar dos pares de partículas entrelazadas. Si una partícula de cada par se junta de una manera particular, las partículas no perturbadas de cada par pueden enredarse a pesar de que nunca hayan estado en contacto entre sí. Este intercambio de entrelazamiento fue demostrado por primera vez en 1998 por el grupo de investigación de Anton Zeilinger.

Los pares de fotones entrelazados, partículas de luz, pueden enviarse en direcciones opuestas a través de fibras ópticas y funcionar como señales en una red cuántica. El enredo entre dos pares permite ampliar las distancias entre los nodos de una red de este tipo. Existe un límite en la distancia a la que se pueden enviar los fotones a través de una fibra óptica antes de que sean absorbidos o pierdan sus propiedades. Las señales de luz ordinarias se pueden amplificar en el camino, pero esto no funciona con pares entrelazados. Un amplificador tiene que capturar y medir la luz, lo que rompe el entrelazamiento. Sin embargo, el intercambio de entrelazamiento significa que es posible enviar el estado original más allá, transfiriéndolo así a distancias más largas de lo que hubiera sido posible de otro modo.

Partículas entrelazadas que nunca se encontraron

Dos pares de partículas entrelazadas se emiten desde diferentes fuentes. Una partícula de cada par se junta de una manera especial que las enreda. Las otras dos partículas (1 y 4 en el diagrama) también se entrelazan. De esta manera, dos partículas que nunca han estado en contacto pueden enredarse.

De la paradoja a la desigualdad

Este progreso se basa en muchos años de desarrollo. Comenzó con la idea alucinante de que la mecánica cuántica permite que un solo sistema cuántico se divida en partes que están separadas entre sí pero que aún actúan como una sola unidad.

Esto va en contra de todas las ideas habituales sobre causa y efecto y la naturaleza de la realidad. ¿Cómo puede algo ser influenciado por un evento que ocurre en otro lugar sin ser alcanzado por algún tipo de señal de él? Una señal no puede viajar más rápido que la luz, pero en la mecánica cuántica no parece haber ninguna necesidad de una señal para conectar las diferentes partes de un sistema extendido.

Albert Einstein consideró esto como inviable y examinó este fenómeno, junto con sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen. Presentaron su razonamiento en 1935: la mecánica cuántica no parece proporcionar una descripción completa de la realidad. Esto ha llegado a llamarse la paradoja EPR, por las iniciales de los investigadores.

La pregunta era si podría haber una descripción más completa del mundo, donde la mecánica cuántica es solo una parte. Esto podría, por ejemplo, funcionar a través de partículas que siempre llevan información oculta sobre lo que mostrarán como resultado de un experimento. Todas las mediciones muestran las propiedades que existen exactamente donde se realizan las mediciones. Este tipo de información a menudo se denomina variables ocultas locales.

El físico norirlandés John Stewart Bell (1928-1990), que trabajó en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, analizó el problema más de cerca. Descubrió que existe un tipo de experimento que puede determinar si el mundo es puramente mecánico cuántico o si podría haber otra descripción con variables ocultas. Si su experimento se repite muchas veces, todas las teorías con variables ocultas muestran una correlación entre los resultados que debe ser inferior o, como máximo, igual a un valor específico. Esto se llama desigualdad de Bell.

Sin embargo, la mecánica cuántica puede violar esta desigualdad. Predice valores más altos para la correlación entre los resultados de lo que es posible a través de variables ocultas.

John Clauser se interesó por los fundamentos de la mecánica cuántica cuando era estudiante en la década de 1960. No pudo deshacerse de la idea de John Bell una vez que leyó sobre ella y, finalmente, él y otros tres investigadores pudieron presentar una propuesta para un tipo de experimento realista que puede usarse para probar una desigualdad de Bell.

El experimento consiste en enviar un par de partículas entrelazadas en direcciones opuestas. En la práctica, se utilizan fotones que tienen una propiedad llamada polarización. Cuando se emiten las partículas, la dirección de la polarización es indeterminada, y todo lo que es seguro es que las partículas tienen polarización paralela. Esto se puede investigar usando un filtro que permite la polarización que está orientada en una dirección particular (ver figura Experimentando con las desigualdades de Bell). Este es el efecto utilizado en muchas gafas de sol, que bloquean la luz que ha sido polarizada en un cierto plano, por ejemplo, al reflejarse en el agua.

Si ambas partículas en el experimento se envían hacia filtros que están orientados en el mismo plano, como verticalmente, y uno se desliza, entonces el otro también pasará. Si están en ángulo recto entre sí, uno se detendrá mientras que el otro pasará. El truco consiste en medir con los filtros colocados en diferentes direcciones en ángulos sesgados, ya que entonces los resultados pueden variar: a veces se filtran ambos, a veces solo uno y, a veces, ninguno. La frecuencia con la que ambas partículas atraviesan el filtro depende del ángulo entre los filtros.

La mecánica cuántica conduce a una correlación entre las mediciones. La probabilidad de que una partícula pase depende del ángulo del filtro que probó la polarización de su compañero en el lado opuesto de la configuración experimental. Esto significa que los resultados de ambas mediciones, en algunos ángulos, violan una desigualdad de Bell y tienen una correlación más fuerte que si los resultados estuvieran regidos por variables ocultas y ya estuvieran predeterminados cuando se emitieron las partículas.

Desigualdad violada

John Clauser inmediatamente comenzó a trabajar en la realización de este experimento. Construyó un aparato que emitía dos fotones entrelazados a la vez, cada uno hacia un filtro que probaba su polarización. En 1972, junto con el estudiante de doctorado Stuart Freedman (1944-2012), pudo mostrar un resultado que era una clara violación de una desigualdad de Bell y estaba de acuerdo con las predicciones de la mecánica cuántica.

En los años que siguieron, John Clauser y otros físicos continuaron discutiendo el experimento y sus limitaciones. Uno de ellos fue que el experimento fue en general ineficiente, tanto en lo que respecta a la producción como a la captura de partículas. La medida también estaba preestablecida, con los filtros en ángulos fijos. Por lo tanto, había lagunas en las que un observador podía cuestionar los resultados: ¿qué pasaría si la configuración experimental de alguna manera seleccionara las partículas que tenían una fuerte correlación y no detectara las otras? Si es así, las partículas aún podrían llevar información oculta.

Eliminar esta laguna en particular fue difícil, porque los estados cuánticos entrelazados son muy frágiles y difíciles de manejar; es necesario tratar con fotones individuales. El estudiante de doctorado francés Alain Aspect no se dejó intimidar y construyó una nueva versión de la configuración que perfeccionó en varias iteraciones. En su experimento pudo registrar los fotones que pasaban por el filtro y los que no. Esto significó que se detectaron más fotones y las mediciones fueron mejores.

En la variante final de sus pruebas, también pudo dirigir los fotones hacia dos filtros diferentes que se colocaron en diferentes ángulos. La delicadeza era un mecanismo que cambiaba la dirección de los fotones entrelazados después de haber sido creados y emitidos desde su fuente. Los filtros estaban a solo seis metros de distancia, por lo que el cambio debía ocurrir en unas pocas milmillonésimas de segundo. Si la información sobre a qué filtro llegaría el fotón influyera en cómo se emite desde la fuente, no estaría llegando a ese filtro. La información sobre los filtros de un lado del experimento tampoco podría llegar al otro lado y afectar el resultado de la medición allí.

De esta forma, Alain Aspect cerró un importante resquicio y proporcionó un resultado muy claro: la mecánica cuántica es correcta y no hay variables ocultas.

La era de la información cuántica

Estos y otros experimentos similares sentaron las bases para la intensa investigación actual en la ciencia de la información cuántica.

Ser capaz de manipular y gestionar estados cuánticos y todas sus capas de propiedades nos da acceso a herramientas con un potencial inesperado. Esta es la base para la computación cuántica, la transferencia y el almacenamiento de información cuántica y los algoritmos para el cifrado cuántico. Actualmente se utilizan sistemas con más de dos partículas, todas ellas entrelazadas, que Anton Zeilinger y sus colegas fueron los primeros en explorar.

Experimentando con las desigualdades de Bell

John Clauser usó átomos de calcio que podían emitir fotones entrelazados después de haberlos iluminado con una luz especial. Colocó un filtro a cada lado para medir la polarización de los fotones. Después de una serie de mediciones, pudo demostrar que violaron una desigualdad de Bell.

Alain Aspect desarrolló este experimento utilizando una nueva forma de excitar los átomos para que emitieran fotones entrelazados a una velocidad mayor. También podía cambiar entre diferentes configuraciones, por lo que el sistema no contendría ninguna información anticipada que pudiera afectar los resultados.

Anton Zeilinger luego realizó más pruebas de desigualdades de Bell. Creó pares de fotones entrelazados al hacer brillar un láser en un cristal especial y usó números aleatorios para cambiar entre configuraciones de medición. Un experimento usó señales de galaxias distantes para controlar los filtros y asegurarse de que las señales no pudieran afectarse entre sí.

Estas herramientas cada vez más refinadas acercan cada vez más las aplicaciones realistas. Ahora se han demostrado estados cuánticos entrelazados entre fotones que se han enviado a través de decenas de kilómetros de fibra óptica y entre un satélite y una estación en tierra. En poco tiempo, investigadores de todo el mundo han encontrado muchas formas nuevas de utilizar la propiedad más poderosa de la mecánica cuántica.

La primera revolución cuántica nos dio transistores y láseres, pero ahora estamos entrando en una nueva era gracias a las herramientas contemporáneas para manipular sistemas de partículas entrelazadas.

 

Fuente: The Nobel Prize Organization/ The Royal Swedish Academy of Sciences

Texto: Anna Davour
Ilustraciones: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Editora: Sara Gustavsson
Imagen de portada: Niklas Elmehed