El Nobel de Física fue para los que probaron las ideas más "locas" de la mecánica cuántica

Lo ganaron al francés Alain Aspect, el norteamericano John Clauser y el austríaco Anton Zeilinger; figuraban en los pronósticos desde hace años.

04 de octubre, 2022 | 16.25

Con tres ganadores que figuraban en los pronósticos desde hace años, el mundo de la física celebró hoy el Nobel al francés Alain Aspect, el norteamericano John Clauser y el austríaco Anton Zeilinger, quienes mostraron experimentalmente una curiosidad del zoológico subatómico que incluso desconcertó a Einstein (decía  que era “espeluznante” y no podía existir): el entrelazamiento de partículas, un efecto que hace que dos o más partículas se comporten como una sola unidad, aunque estén separadas a gran distancia. El importe del premio de este año es de 10 millones de coronas suecas (casi un millón de dólares), que se repartirán por partes iguales entre los tres laureados.

“Son las ideas más ‘locas’ –había comentado Alex Fainstein, del Instituto Balseiro, la semana pasada, cuando, con un grupo de colegas, se atrevió a apostar quién se llevaría este año el premio más prestigioso de la ciencia en su disciplina–, pero en las que muchos países están haciendo inversiones enormes, de miles de millones de dólares, y que prometen transformar nuestra realidad”.

Los resultados de experimentos realizados desde los años setenta y ochenta abrieron el camino para la ‘segunda revolución cuántica’, que es la que presenta los aspectos más ‘esotéricos’, y que ya están siendo empleados en el desarrollo de nuevas tecnologías de la computación, la comunicación, la transferencia segura de información (criptografía) y de instrumentos de medición.

“En escala atómica, las leyes de la naturaleza están dadas por lo que hoy conocemos como mecánica cuántica –explica Karen Hallberg, investigadora del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (Conicet/CNEA) y profesora del Instituto Balseiro–. Una característica distintiva es el 'entrelazamiento cuántico': si varias partículas (por ejemplo, electrones o fotones) están entrelazadas, no podemos describir cada una por separado, sino que forman un estado colectivo. Lo que le pase a una afectará a las otras, aunque estén separadas por grandes distancias. En mecánica cuántica se describen los estados con una función de onda. Si efectuamos una medición, o perturbamos a una partícula que está entrelazada con otra(s), esto va a causar lo que se llama el ´colapso' de la función de onda de todas y podremos saber en qué estado estaban también las demás”.

Estas propiedades, que no se verifican en nuestro mundo de todos los días, fue difícil de entender y demostrar. 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. En 1964, el físico John Stewart Bell postuló que si esto era cierto, entonces debían observarse ciertas desigualdades matemáticas entre los resultados de las mediciones de las propiedades de las partículas entrelazadas por separado, pero los laureados de este año demostraron que las mediciones violaban esas desigualdades, y por lo tanto, corroboraron las extrañas leyes de la mecánica cuántica.

La explicación de un miembro del Comité Nobel

En 1972, Clauser se propuso medir el entrelazamiento disparando miles de fotones en direcciones opuestas. Cuando registró la "polarización" de pares de estas partículas, comprobó que estaba correlacionada.

Diez años más tarde, trabajando en un pequeño laboratorio de las afueras de París, Alain Aspect desarrolló una fuente de calcio que, al excitarla, emitía pares de fotones, uno en una dirección y otro, en otra. “Salían ‘entrelazados’ –explica el físico Juan Pablo Paz, hoy Secretario de Articulación Científico y Tecnológica del Ministerio de Ciencia, pero además Premio Bunge y Born y autor de La física cuántica. Todo sobre la teoría capaz de explicar por qué los gatos pueden estar vivos y muertos a la vez (Siglo XXI Editores, 2017)–. Que dos partículas estén entrelazadas quiere decir que forman una unidad, un todo. Hasta que algo no interactúe con alguno de ellos, esos dos fotones siguen enganchados uno con el otro, como si fueran una sola cosa. Es como un enamoramiento muy intenso. Claro, en el mundo macroscópico eso es muy difícil de imaginar, pero alude al hecho de que si uno tiene una propiedad, el otro va a tener la misma, por ejemplo. Está definida la identidad del todo, pero no la de cada una de sus partes. Es una predicción fundamental de la física cuántica que se pueden crear estados en donde el todo tenga una identidad perfectamente definida, pero las partes, no. Pero después de ese proceso de preparación, si hago un experimento sobre alguna de las partes, lo hago una vez y obtengo un resultado, lo hago otra vez y da otro resultado, luego, una tercera y obtengo otro. En las partes observo azar e indeterminismo. Pero si mido alguna propiedad del conjunto, siempre obtengo lo mismo. La identidad del todo está perfectamente determinada, pero la de las partes está completamente indeterminada.  Esto es lo que caracteriza el entrelazamiento”.

El anuncio, muy temprano esta mañana

Christian Schmiegelow, investigador del Conicet y director del Laboratorio de Iones Frios de la Facultad de Ciencias Exactas de la UBA, lo explica de otro modo. “Lo que mostró Aspect fue que dos fotones (o partículas de luz) tenían correlacionada su polarización (el estado en el cual la luz oscila), de un modo que no es posible explicar con la física clásica. [Imaginemos] que tengo una fábrica que manda pelotitas de tenis en distintas direcciones. ¿Hay una correlación en cómo rotan las pelotas? ¿Y puede suceder que cuando miro una de ellas, cambia la de las otras? Lo primero que uno pensaría es que mi máquina podría estar diseñada para que las pelotillas tengan un patrón de comportamiento: que si una rota hacia la izquierda, la otra lo hace a la derecha. Pero no que cambian su estado dependiendo de lo que les pasó a las anteriores. Lo que mostraron estos experimentos es que si yo no conozco el estado de mis pelotas, pueden estar conectadas a distancias enormes y que una influya en la otra”.

Estas extrañísimas propiedades de la naturaleza dan lugar a preguntas filosóficas, ya que ocurren solamente “cuando la información de un sistema no está redundantemente grabada en el entorno".

“¿Hace ruido un árbol si cae en un bosque y no hay nadie para escucharlo?  –se pregunta Schmiegelow–. La respuesta de la física cuántica es 'no'. Pero la pregunta siguiente es ¿qué significa ‘nadie’? Cuando un árbol cae en un bosque, todo el bosque lo escucha. Pero si cayera en un espacio desconectado del mundo, no tendríamos manera de saber si cayó o no, porque no habría nada que lo hubiera registrado”. Y si ocurriera con dos árboles “entrelazados”, estarían en un estado indeterminado hasta que alguien los iluminara o los tocara. “¿Pero cómo, si nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz –sigue interrogándose el científico–. Eso es cierto; sin embargo, hay cosas que pueden cambiar instantáneamente en lugares distantes del universo, pero no tenemos manera de registrarlo. ¡Eso te vuela la cabeza!”.

Uno de los aspectos más fantásticos de la mecánica cuántica es que haría posible la teletransportación… aunque no de la forma en que la vemos en las películas. “Estos objetos entrelazados son la materia prima necesaria para teletransportar objetos –detalla Paz–. La idea que uno tiene es la de Viaje a las Estrellas, donde el capitán Spock entra en la nave espacial y sale de la nada en un planeta. Eso no existe, la física no lo permite. La teletransportación se inventó en 1993, y Zeilinger fue uno de los primeros que hizo experimentos para probar que es posible. Pero para teletransportar, primero hay que crear un par de estos objetos entrelazados, uno se deja en la estación de salida y el otro se envía al punto de llegada. Pero [hay que tener en cuenta que] sucede como con las llamadas telefónicas: alguien tiene que invertir, instalar antenas, fibra óptica…  Se necesitará una inversión [en infraestructura] para distribuir materia en estados entrelazados. Entonces a ese par de objetos que se encuentran en la estación de salida les pasan cosas, uno ‘hace’ algo y adquiere información. Esa información que es muy compacta, muy poquita, uno la manda del otro lado y alcanza para que la materia que ya estaba del otro lado adquiera la identidad que tenía lo que entró a la máquina teletransportadora. Es decir, uno no teletransporta un objeto, sino la identidad de ese objeto. Se necesitan pares de objetos entrelazados que sean tan complejos como el que uno quiere teletransportar; es decir, si yo me quiero teletransportar, por cada átomo de mi cuerpo necesito crear un par de átomos entrelazados, dejar uno en la estación de salida y mandar otro a la de llegada. Cuantos más átomos tengo, más difícil es hacer eso. Por su complejidad, se cree que en la práctica no se va a poder utilizar para viajar o para enviar un objeto complejo de un lado a otro. Pero sí se hizo en el laboratorio, lo logró precisamente Zeilinger. Y en 2008, nosotros, con Christian Schmiegelow, lo hicimos en el Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (Citedef). Este fenómeno ya tiene aplicación práctica en términos de transmisión de la información cuántica y vendrán más”.

Satélite cuántico

Entre otras, está la criptografía cuántica, que es el uso de estos pares de objetos entrelazados para crear claves que después permiten encriptar información de manera segura. “Hay empresas que fabrican equipos que se usan para enviar claves secretas (para encintar y desencriptar) –agrega Paz–. Pero la única manera de que sean inviolables es que para cada mensaje se utilice una clave diferente y es un recurso caro, porque generarlas es difícil: la limitación está en la velocidad con la que se pueden producir pares de objetos entrelazados. China tiene un satélite cuántico, que distribuye claves secretas entre estaciones terrenas separadas por algunos cientos de kilómetros. Las grandes potencias usan estos métodos como forma de resguardar información sensible”.

Analía Zwick, también investigadora y profesora del Balseiro comenta en un comunicado del Conicet: “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”.

Para Hallberg, “Los tres galardonados realizaron experimentos cruciales para determinar el entrelazamiento de partículas. Actualmente se pueden generar estados fotónicos entrelazados en fibras ópticas de decenas de kilómetros de largo y hasta entre la Tierra y una estación espacial. Con estos trabajos de gran precisión lograron establecer uno de los pilares de la física cuántica y una nueva era de desarrollo de las tecnologías cuánticas”.

Cabe mencionar, como subraya Christian Schmiegelow, que ya no podrá recibir el Nobel una de las pioneras en este campo, la física Chien-Shiung Wu, también conocida como "Madame Wu" y fallecida en 1997.  "Fue la primera que pensó un experimento para tratar de medir este tipo de correlaciones cuánticas –comenta el científico–. En ese momento, no disponía de las capacidades técnicas, pero hizo el primer intento".

En la Argentina, el Ministerio de Ciencia está promoviendo un programa nacional de fortalecimiento de la ciencia y la tecnología cuánticas. Ya reunió un consejo asesor integrado por 12 investigadores (varios de ellos mencionados en esta nota) que presentará un plan de acción dentro de un par de semanas, e incluye precisamente avanzar en la comunicación, la computación y el diseño de sensores basados en esta tecnología.

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