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Desde el descubrimiento de la mecánica cuántica —hacia 1925— nada ha vuelto a ser igual en el mundo de la física. Hasta entonces la física (clásica) era consistente con una concepción de la naturaleza en la que todos los sistemas físicos tenían existencia individual y eran distinguibles unos de otros, en la que todas las propiedades de los sistemas físicos estaban predefinidas, eran independientes de cómo se observasen, y evolucionaban de acuerdo a ecuaciones deterministas. Así, según la física clásica, si uno dispusiese de suficiente información sobre las propiedades iniciales de un sistema, podría predecir su evolución futura, con independencia de que el sistema físico fuese una pelota o la totalidad del universo. La mecánica cuántica acabó con esa concepción de la naturaleza. Según la mecánica cuántica, en la naturaleza hay sistemas esencialmente indistinguibles, en los que muchas de sus “propiedades” no tienen valores predeterminados ni son independientes de cómo se midan. Así, en general, no es posible predecir con certeza el resultado de un experimento, sino sólo la probabilidad de que ocurra uno u otro resultado.

“Nadie comprende realmente la mecánica cuántica”, escribía Richard Feynman a mediados de los años sesenta. (Feynman obtuvo el premio Nobel por sus trabajos sobre electrodinámica cuántica.) Paul Dirac (también premio Nobel y uno de los fundadores de la mecánica cuántica) publicaba en el número de mayo de 1963 de Scientific American un artículo, cuya versión española abre este volumen, en el que reconocía que había grandes problemas al intentar elaborar una imagen consistente de la naturaleza a partir de la mecánica cuántica. Pero añadía: “Este tipo de problema no preocupa mucho al físico, quien se da por satisfecho si, tras realizar los cálculos, compara los datos obtenidos con los experimentales y concuerdan.” Esto es algo que la mecánica cuántica hace a la perfección. Sus reglas son claras y sus predicciones están en perfecta consonancia con todos los resultados experimentales conocidos en una amplísima variedad de situaciones. Además, como marco teórico, la mecánica cuántica ha demostrado ser lo suficientemente flexible como para incorporar y explicar partículas elementales, interacciones y fenómenos físicos descubiertos con posterioridad. Este éxito predictivo y esta flexibilidad explican por qué la mecánica cuántica es el pilar más sólido de la física moderna. Sin embargo, no deja de resultar sorprendente que haya conseguido semejante rango tratándose de algo que nadie comprende y que nadie logra conciliar con una concepción consistente de la naturaleza.

¿Qué hemos aprendido desde entonces sobre esta extraña teoría? Muchas cosas, en buena parte debido a que algunos físicos no hicieron caso de la recomendación de Dirac y se preocuparon por problemas fundamentales. Si bien hoy sigue siendo cierto que nadie comprende la mecánica cuántica, en el intento de comprenderla han salido a la luz muchos fenómenos esencialmente cuánticos (sin parangón en la física clásica) y se les ha empezado a encontrar aplicaciones, algunas de las cuales eran impensables (e imposibles) con los recursos de la física clásica.

El debate sobre la interpretación de la mecánica cuántica empezó en los mismos orígenes de la teoría. Muchos de sus fundadores (Einstein, de Broglie, Schrödinger) manifestaron sus dudas sobre la que se ha llamado interpretación ortodoxa (o interpretación de Copenhague) de la mecánica cuántica (defendida por Bohr, Heisenberg, Born y Pauli). Pero tras un periodo de intensa polémica, la mayoría de la comunidad científica adoptó la interpretación ortodoxa. Fueron pocos los que se negaron a asumir este estado de cosas (Einstein, Bohm) y siguieron investigando en busca de alternativas.

El problema de si era posible una teoría más completa que la mecánica cuántica, que hiciese predicciones compatibles con las suyas (con lo que compartiría su éxito experimental) y a la vez estuviese dotada de ciertos atributos clásicos (lo cual facilitaría la elaboración de una concepción de la naturaleza), era un problema sin consecuencias experimentables y, por tanto, de poca relevancia científica, según se creía hacia 1964. Pero John Bell demostró ese mismo año que tal teoría no era posible, ya que sus predicciones serían diferentes de las de la mecánica cuántica en ciertos casos. Los atributos clásicos concretos requeridos por Bell eran inocentes en apariencia: que los observables físicos tuvieran valores bien definidos y que las influencias físicas no se propagasen a velocidades superiores a la de la luz.

Los progresos experimentales realizados a finales de los años setenta y principios de los ochenta permitieron reproducir en los laboratorios esos casos especiales en los que ambas teorías diferían (se trataba de dos partículas preparadas en un estado “enredado”, un estado que no se puede entender a partir de los estados de cada una de ellas). Los experimentos confirmaron que la mecánica cuántica era correcta, incluso en esa situación en la que sus predicciones eran realmente extrañas al sentido común (representado por esos dos atributos clásicos).

Tal confirmación de la mecánica cuántica, junto con los desarrollos experimentales que la habían hecho posible, alentaron las investigaciones dirigidas a confirmar en los laboratorios otras características suyas sorprendentes. Así se emprendió la realización experimental de “gatos de Schrödinger” (estados en los que ciertas propiedades están indefinidas hasta que se hace una observación) e incluso —muy recientemente— de experimentos en los que se estudia la “decoherencia” (cómo y cuándo las propiedades que permanecen indefinidas deciden tomar uno u otro valor). Desentrañar este mecanismo serviría para resolver el llamado “problema de la medida”, que afecta a la mayoría de las interpretaciones de la mecánica cuántica. La “solución” de este problema permitiría reconciliar el mundo cuántico con el mundo de la experiencia cotidiana en el que todas las propiedades parecen estar perfectamente definidas.

Otros experimentos en los que se revelan peculiaridades esencialmente cuánticas son los de elección retardada y de borrado cuántico. En los primeros se pone de manifiesto que un fotón no es ni una partícula ni una onda, sino que su naturaleza depende de qué decidamos medir, incluso cuando esta decisión se retrase hasta el último momento. Los experimentos de borrado cuántico revelan, además, que un fotón ni siquiera es una partícula o una onda —es decir, que las nociones de partícula y de onda no son mutuamente excluyentes, como sugiere el principio de complementariedad de Bohr—, puesto que los efectos de interferencia, que desaparecen cuando se obtiene información sobre la trayectoria seguida por los fotones, pueden reaparecer manipulando los detectores. Sorprendente.

Y aún hay mucho más. La investigación de los fundamentos ha tomado un nuevo rumbo en los últimos años. El hecho de no “comprender” la mecánica cuántica no ha supuesto un obstáculo para que una nueva generación de físicos haya desarrollado una intuición sobre los fenómenos cuánticos que les permite usarlos para atacar algunos problemas que son irresolubles con herramientas no cuánticas. Ello ha servido para que muchos de los avances teóricos y experimentales concebidos originalmente con vista a la resolución de cuestiones de fundamentación (por ejemplo, la fabricación de los estados enredados de los que hablábamos antes) hayan encontrado aplicaciones prácticas (y recíprocamente; gracias a esta vertiente aplicada, es posible disfrutar hoy de técnicas para rehacer con mucha mayor precisión experimentos de carácter fundamental). La criptografía cuántica, la computación cuántica, las mediciones sin interacción, la codificación densa cuántica o el teletransporte de estados cuánticos son algunos ejemplos de esta nueva forma de pensar.

La primera de estas aplicaciones (y la única que por el momento ha traspasado las paredes de los laboratorios) es la criptografía cuántica, que aprovecha la especial sensibilidad de las correlaciones que hay entre las partes de un estado enredado (frente a, por ejemplo, las intromisiones de un observador no autorizado), para distribuir claves criptográficas de manera que se pueda garantizar (por principio) la confidencialidad de la clave así distribuida. Estos sistemas de distribución de claves ya se han probado con éxito en cables de fibra óptica de hasta 20 kilómetros, de modo que el Pentágono está pensando en aplicarlos.

Otra de estas aplicaciones es la computación cuántica. Se ha demostrado que un ordenador basado (a nivel fundamental) en fenómenos cuánticos permitiría hacer cosas que ningún ordenador actual puede hacer: factorizar números enteros de manera que el tiempo requerido no crezca exponencialmente con el número de cifras del número a factorizar, explorar bases de datos de un modo más eficiente o simular sistemas cuánticos. Los experimentos realizados hasta ahora sólo permiten hacer cálculos extremadamente sencillos. El futuro práctico de la computación cuántica queda todavía lejano.

Otro ejemplo de este nuevo enfoque son las llamadas mediciones “sin interacción”. ¿Es posible detectar la presencia de un objeto sin hacer incidir fotones sobre él? Según la física clásica no, pero sí según la mecánica cuántica. Este efecto cuántico podría tener en el futuro importantes usos en dispositivos de detección y medida (por ejemplo, aparatos de rayos X no agresivos).

La codificación densa cuántica permite multiplicar la capacidad de un canal de distribución de información. Por ejemplo, según la mecánica cuántica es posible transmitir 2 bits de información (4 valores) mediante un único sistema cuántico de dos niveles (clásicamente, un sistema de dos niveles sólo permite transmitir un bit de información). En el laboratorio sólo se ha logrado transmitir un “trit” (3 valores); en cualquier caso, es más que lo permitido clásicamente.

El teletransporte de estados cuánticos es un procedimiento en el que (con la ayuda de los estados enredados y transmitiendo cierta información por un canal clásico) se hace desaparecer un estado cuántico cualquiera y se recrea en otro punto del espacio. Cuando escribo esto, están a punto de publicarse las primeras confirmaciones experimentales de este fenómeno.

Como vemos, las cosas han cambiado mucho en los siete últimos lustros. Partiendo de un enfoque fundamental, se han aprendido muchas cosas sobre la naturaleza: hemos aprendido cómo no es la naturaleza, que no es poco; también se ha aprendido a fabricar en los laboratorios estados con propiedades puramente cuánticas y, además, están empezándose a descubrir aplicaciones de muchas de las cosas encontradas en el camino. A este paso, quizás algún día se nos olvide lo que queríamos decir cuando hablábamos de comprender la mecánica cuántica.

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