La Real Academia Sueca de Ciencias decidió otorgar el Premio Nobel de Física 2022 al científico francés Alain Aspect, al estadounidense John F. Clauser y al austriaco Anton Zeilinger por sus experimentos sobre los “fotones entrelazados” de información cuántica, donde dos partículas se comportan como una sola unidad, incluso cuando están separadas.
El Comité Nobel de Física señaló, en conferencia de prensa, que las aportaciones de cada uno de los galardonados llevaron a cabo experimentos innovadores utilizando “estados cuánticos entrelazados” y sentaron las bases para una nueva era de la tecnología cuántica.
Los tres científicos galardonados trabajaron de forma independiente y realizaron experimentos por separado que ayudaron a comprender el comportamiento de las diminutas partículas de materia y energía, como los fotones de luz electrones, que demuestran que la mecánica cuántica no solo es un asunto teórico o filosófico, sino que son conocimientos aplicables en tecnologías novedosas.
Estas aportaciones se basan en el trabajo de John Stewart Bell, en la década de los 60, quien sostuvo que las partículas que en un momento interactuaron juntas, aún estando muy separadas para que haya una comunicación normal entre ellas, todavía pueden funcionar de forma conjunta, a través de “un estado entrelazado”. Los laureados demostraron que sí.
La teoría de la mecánica cuántica sostiene que, a través de este entrelazamiento, lo que le sucede a una de las partículas determina lo que le sucede a la otra u otras, incluso si están muy separadas. Asimismo, señala que las partículas pueden existir simultáneamente en dos o más lugares y no adquieren propiedades formales hasta que se miden u observan de alguna manera.
Este entrelazamiento ha sido uno de los elementos más debatidos de la mecánica cuántica; Albert Einstein se refirió a ella como una acción espeluznante a distancia y Erwin Schrödinger dijo que era el rasgo más importante de esta teoría.
El entrelazamiento ha sido uno de los elementos más debatidos de la mecánica cuántica; Albert Einstein se refirió a ella como una acción espeluznante a distancia y Erwin Schrödinger dijo que era el rasgo más importante de esta teoría.
En ella no existen estados determinados hasta que se miden. Es como el color de dos partículas que son grises, hasta que alguien observa una de ellas se vuelve negra o blanca en función del azar. En los pares entrelazados, al momento en que una se vuelve de un color inmediatamente la otra se vuelve del color opuesto.
Stewart Bell postuló una “desigualdad matemática” –que lleva su nombre– que sostiene que al analizar el color u otras propiedades de las partículas hay variables ocultas o información secreta que les indica qué color mostrar al ser observadas, es decir, se puede diferenciar entre la indeterminación de la mecánica cuántica y una descripción alternativa utilizando estas variables ocultas.
John F. Clauser, de la empresa Clauser & Assoc., desarrolló un experimento práctico para medir las partículas entrelazadas con una máquina que emitía dos fotones entrelazados en direcciones opuestas que tenían que atravesar filtros. Observó que las partículas violaron la desigualdad de Bell, de acuerdo con las predicciones de la mecánica cuántica que demostraron que no puede ser reemplazada por un postulado que utiliza variables ocultas, sin embargo, la configuración del experimento tenía algunas lagunas.
Al cambiar la configuración del experimento Alain Aspect, de la Universidad París-Saclay y la Escuela Politécnica de Palaiseau, Francia, pudo dirigir los fotones hacia dos filtros diferentes que se colocaron en distintos ángulos, lo que permitió mejorar la medición de los fotones entrelazados que confirmaron que las partículas no llevaban información oculta, corroborando lo establecido en la teoría de la mecánica cuántica.
Teletransportación cuántica
Por su parte, Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, usó herramientas refinadas y una larga serie de experimentos con partículas entrelazadas que demostraron el fenómeno llamado teletransportación o teleportación cuántica, que hace posible mover un estado cuántico de una partícula a otra a distancia. Demostró que los estados cuánticos entrelazados tienen el potencial y nuevas formas de almacenar, transferir y procesar información.
Si un par de partículas entrelazadas viajan en direcciones opuestas y una de ellas se encuentra con una tercera partícula, de tal manera que se entrelazan, entran en un nuevo estado compartido. Esta tercera partícula pierde su identidad, pero sus propiedades originales se transfieren a la partícula solitaria del par original. Esta forma de transferir un estado cuántico desconocido de una partícula a otra se denomina teletransportación. Este experimento fue realizado en 1997 por Zeilinger y sus colaboradores.
La teleportación cuántica transfiere información cuántica de un sistema a otro, sin embargo, hasta ahora es 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 simultáneamente varias versiones de cada propiedad, donde cada versión tiene una cierta probabilidad de aparecer durante una medición. Tan pronto como se realiza una medición, solo queda la versión leída por el instrumento de medición. Los demás desaparecen y es imposible saber nada de ellos. Sin embargo, las propiedades cuánticas desconocidas se pueden transferir mediante la teleportación cuántica y aparecen intactos en otra partícula, pero al precio de ser destruidos en la partícula original.
Al demostrar experimentalmente esto, Zeilinger utilizó 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.
Con este intercambio de entrelazamiento de partículas de luz, pueden enviarse en direcciones opuestas a través de fibras ópticas a mayores distancias y pueden funcionar como señales en una red cuántica.
“Sus predicciones han abierto puertas a otro mundo y también ha sacudido los cimientos mismos de cómo interpretamos las medidas”.
Eva Olsson, integrante del Comité Nobel de Física.
Puertas ‘a otro mundo’
Las contribuciones de los premiados despejaron el camino para el surgimiento de nuevas tecnologías basadas en información cuántica que han abierto un gran campo de investigación y aplicación que incluyen computadoras cuánticas, redes cuánticas, comunicación cifrada cuántica segura y los primeros pasos de la teleportación cuántica de información.
“Sus predicciones han abierto puertas a otro mundo y también ha sacudido los cimientos mismos de cómo interpretamos las medidas”, dijo Eva Olsson, integrante del Comité Nobel de Física, durante el anuncio del premio. “La ciencia de la información cuántica tiene amplias implicaciones en áreas como la transferencia segura de información y la computación cuántica. Es un campo vibrante y de rápido desarrollo”.
La teletransportación cuántica ha sido tema recurrente en películas o series televisivas de ciencia ficción como Viaje a las Estrella o Star Trek donde se puede viajar de un sitio a otro del Universo de manera instantánea, la teleportación de objetos grandes o de seres humanos todavía pertenece al terreno de la fantasía, sin embargo, gracias a las aportaciones de los galardonados, principalmente de Zeilinger, se ha hecho realidad para los fotones, las partículas de la luz.
También las aplicaciones en el campo de la computación, las comunicaciones y la informática están surgiendo aplicaciones novedosas. Como dijo Anders Irbäck, presidente del Comité Nobel de Física: “Se ha vuelto cada vez más claro que está surgiendo un nuevo tipo de tecnología cuántica. Podemos ver que el trabajo de los laureados con estados entrelazados es de gran importancia, incluso más allá de las cuestiones fundamentales sobre la interpretación de la mecánica cuántica”.
