4 de Octubre de 2022
Premios Nobel

Nobel de física 2022 para los pioneros de la información cuántica

Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger han compartido el galardón por sus experimentos con fotones entrelazados, que establecieron el carácter no local de la mecánica cuántica y sentaron las bases de la investigación sobre información y computación cuántica. 

El entrelazamiento constituye un vínculo entre partículas cuánticas que se mantiene aunque estén muy alejadas y que va mucho más allá de las correlaciones clásicas. Los tres premiados de este año desarrollaron experimentos destinados a estudiar y controlar este singular fenómeno. [© Johan Jarnestad/Real Academia de Ciencias de Suecia] 

Los fundamentos de la mecánica cuántica no son una mera cuestión teórica o filosófica. En la actualidad, se están realizando grandes esfuerzos por usar las singulares propiedades de los sistemas cuánticos para construir ordenadores y redes cuánticas, mejorar las mediciones y blindar la seguridad de las comunicaciones encriptadas.

Muchas de esas aplicaciones se basan en el entrelazamiento, un fenómeno cuántico que relaciona de manera inextricable las propiedades de las partículas, aunque estas se encuentren separadas por grandes distancias. Si dos partículas están entrelazadas, al medir una propiedad de una de ellas, conoceremos de manera instantánea el resultado que obtendríamos al realizar esa misma medición en la otra partícula.

Alain Aspect, de la Universidad de París-Saclay y la Escuela Politécnica de Palaiseau, John Clauser y Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, han recibido el premio Nobel de física de 2022 por sus experimentos innovadores para investigar y controlar partículas entrelazadas. Las herramientas que desarrollaron los galardonados sirvieron para sentar las bases del actual auge de los dispositivos cuánticos, y también para zanjar un debate relacionado con la interpretación de la mecánica cuántica. 

Acción fantasmal

El entrelazamiento es uno de los elementos clave de la teoría cuántica, y también ha sido uno de los más debatidos, dado que choca de frente con nuestras ideas habituales sobre la causa y el efecto. ¿Cómo es posible un evento (la medición de una de las partículas) influya en otro distante de manera instantánea, sin que ambos sistemas intercambien ningún tipo de señal?

Desde un punto de vista clásico, el hecho de que el resultado de una medición pueda determinar el resultado de otra tampoco resulta tan extraño. Si pensamos en bolas en vez de en partículas, podemos imaginar un experimento en el que se envían dos bolas, una negra y otra blanca, en direcciones opuestas. Si un observador detecta una bola blanca, concluirá que la bola que viajó en la otra dirección es negra.

La particularidad de la mecánica cuántica es que el estado de un sistema no está bien definido hasta que lo medimos. En general, el sistema se encuentra en una superposición de varios estados posibles —en nuestro ejemplo, el color de la bola estaría en una superposición de los estados negro y blanco—, cada uno con una cierta probabilidad de ser observado. Al medir el sistema, se destruye la superposición y vemos la bola en uno de esos estados posibles (negra o blanca). El resultado de tal medición es aleatorio y no es posible predecirlo... pero lo que sí sabemos con certeza es que, si las bolas están entrelazadas y observamos que una es blanca, la otra adoptará de inmediato el color opuesto.

A Einstein nunca le convenció la idea de que el resultado de una medida pudiera afectar a otra partícula distante, y se refería a ella de manera despectiva como «acción fantasmal a distancia». En 1935, junto a sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen, llegó a la conclusión de que la mecánica cuántica no era una teoría completa. Tal vez, sugirieron, existía una descripción más profunda de la realidad, con cierta información adicional (las llamadas «variables ocultas locales», donde «locales» hace referencia a que sus señales no pueden viajar más rápido que la luz) que permitiría explicar los resultados obtenidos al medir sistemas entrelazados, del mismo modo que uno podría determinar el resultado de un lanzamiento de moneda si conociese todas las variables clásicas implicadas (la fuerza con que se lanza, la velocidad del viento, etc.). 

Desigualdades de Bell

Al difunto físico norirlandés John Stewart Bell se le ocurrió una manera de averiguar si la realidad era inherentemente cuántica o admitía una descripción basada en variables ocultas. La idea consistía en medir alguna propiedad en cada una de las partículas de un par entrelazado. Al repetir esa muchas veces ese tipo de medición, aparecerían correlaciones en los resultados, y estas debían ser inferiores a cierto valor para poder explicarlas mediante una teoría de variables ocultas. La expresión matemática resultante se conoce como «desigualdad de Bell». (A menudo se habla de «desigualdades de Bell», en plural, porque se han propuesto diferentes expresiones, asociadas a distintas clases de experimentos, los cuales reciben el nombre de «test de Bell».)    

John Clauser comenzó a interesarse por los fundamentos de la mecánica cuántica en los años sesenta, cuando aún era un estudiante. Una vez que conoció la idea de Bell, no pudo dejar de pensar en ella, hasta que finalmente, junto a otros tres investigadores propuso un experimento realista para poner a prueba una forma concreta de la desigualdad de Bell.

El experimento consistía en enviar un par de fotones, las partículas de la luz, en direcciones opuestas y medir su polarización (la dirección en la que oscila el campo eléctrico) sirviéndose de filtros que solo permiten pasar a los fotones con una polarización determinada. (Esto último es justo lo que hacen las gafas de sol, que bloquean la luz que se ha polarizado al reflejarse en el agua u otra superficie plana.)

Midiendo la polarización de cada partícula del par entrelazado para muchos pares de fotones y estudiando las correlaciones entre los resultados era posible determinar si se violaba la desigualdad de Bell, es decir, si las correlaciones eran tan fuertes que excluían la posibilidad de que el comportamiento de las partículas estuviera gobernado por variables ocultas (en cuyo caso, los resultados estarían determinados desde el mismo momento de emitirlas).

Finalmente, en 1972, junto con su (hoy fallecido) estudiante de doctorado Stuart Freedman, Clauser implementó su experimento y logró obtener un resultado que suponía una clara violación de la desigualdad de Bell y que coincidía con las predicciones de la mecánica cuántica.

Lagunas en los test de Bell

En los años siguientes, Clauser y otros físicos siguieron discutiendo el experimento y sus limitaciones. En realidad, existían resquicios o «lagunas» que permitían cuestionar los resultados. Una de ellas era que el experimento no era demasiado eficiente a la hora de producir y detectar los fotones. ¿Y si el montaje experimental seleccionaba de algún modo las partículas que mostraban una fuerte correlación y no detectaba el resto? De ser así, no podía descartarse que las partículas obedecieran a una teoría de variables ocultas.

Eliminar esa «laguna de la detección» era difícil, porque los estados cuánticos entrelazados son muy frágiles y difíciles de manejar. Alain Aspect, a la sazón estudiante de doctorado, no se dejó intimidar y construyó una nueva versión del experimento, que fue perfeccionando en sucesivos intentos. Su montaje le permitió detectar más fotones y mejorar la calidad de las mediciones.

Otra laguna importante era la de la localidad. En los primeros test de Bell, la medición estaba fijada de antemano, con los filtros formando ángulos fijos entre ellos. ¿Podía ser que la información sobre el filtro al que llegaría el fotón influyera en la forma en que se emitía desde la fuente? ¿O que la información sobre el filtro de un lado del experimento llegase al otro lado y afectase al resultado de la medición realizada allí?

En la última variante de sus pruebas, Aspect fue capaz de cambiar las condiciones del experimento una vez emitidos los fotones, lo que permitió descartar esas posibilidades. De este modo, cerró una importante laguna y llegó a una conclusión muy clara: la mecánica cuántica era correcta y no había variables ocultas locales. (Aunque en realidad, los primeros test de Bell sin lagunas no llegaron hasta 2015, un trabajo en el que también estuvo implicado el tercero de los galardonados, Anton Zeilinger.)   

Teletransporte cuántico

Los estados cuánticos entrelazados también constituyen la base de nuevas formas de almacenar, transferir y procesar la información. 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 ambas se entrelazan, ocurre algo muy interesante: las propiedades de esa tercera partícula se transfieren a la partícula aislada del par original, un fenómeno denominado teleportación cuántica, o teletransporte cuántico. Y el primero que realizó un experimento de este tipo fue precisamente Zeilinger, en 1997.

La importancia del teletransporte cuántico reside en que es la única manera de transferir información cuántica de un sistema a otro sin perder parte de ella en el intento. En particular, no es posible medir todas las propiedades de un sistema cuántico en estado de superposición y enviarle la información a alguien para que lo reconstruya, dado que (como hemos apuntado antes) el propio acto de medir destruye la superposición. Sin embargo, mediante el teletransporte cuántico podemos transferir el estado cuántico de una partícula a otra sin necesidad de medirlo... a costa, eso sí, de destruirlo en la partícula original.

El siguiente paso fue usar dos pares de partículas entrelazadas. Si hacemos interactuar de una forma determinada una partícula de cada par, las otras dos partículas pueden entrelazarse a pesar de no haber estado nunca en contacto. El grupo de Zeilinger también fue el primero en implementar este «intercambio (swapping) de entrelazamiento», en 1998.

Es posible enviar pares entrelazados de fotones en direcciones opuestas a través de fibras ópticas y usarlas como señales en una red cuántica. Y el intercambio de entrelazamiento permite alargar las distancias entre los nodos de dicha red. Los fotones solo pueden recorrer una distancia limitada a través de una fibra óptica antes de ser absorbidos o perder sus propiedades. Las señales luminosas se pueden amplificar repetidas veces, pero en el caso de redes cuánticas eso no es posible, pues rompería el entrelazamiento. Sin embargo, el intercambio de entrelazamiento permite transmitir el estado original a mayores distancias.

La era de la información cuántica

Estos y otros experimentos similares sentaron las bases de la intensa investigación que se desarrolla hoy en día en el área de la información y comunicación cuántica.

Poder manejar los estados cuánticos y todo su espectro de propiedades nos da acceso a herramientas con un potencial inesperado. Es la base de la computación cuántica, la transferencia y el almacenamiento de información cuántica y los algoritmos de criptografía cuántica. En la actualidad se emplean sistemas con más de dos partículas, todas ellas entrelazadas, como los que exploraron por primera vez Zeilinger y sus colaboradores.

Gracias a esas herramientas cada vez más complejas, las aplicaciones realistas están más y más cerca. Ya se ha logrado preservar el entrelazamiento en fotones enviados a través de decenas de kilómetros de fibra óptica, e incluso entre un satélite y una estación en la superficie. En poco tiempo, los investigadores de todo el mundo han ideado muchas formas nuevas de utilizar la propiedad más potente de la mecánica cuántica.

La primera revolución cuántica nos proporcionó transistores y láseres, pero ahora estamos entrando en una nueva era gracias a las nuevas herramientas para manipular sistemas de partículas entrelazadas. Y el premio Nobel de física de este año ha premiado a los científicos que dieron los pasos clave para hacerlo posible.

Fundación Nobel

Más información en la página web de la Fundación Nobel

En la página «Los premios Nobel en Investigación y Ciencia» encontrarás una selección de artículos escritos por el propio Anton Zeilinger en IyC, así como otros contenidos relacionados con sus aportaciones científicas.

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