NATURALEZA

Experimentos sobre partículas cuánticas ‘entrelazadas’ ganaron el Premio Nobel de Física

Por sus pruebas de rarezas cuánticas y sus usos en el mundo real, tres científicos compartirán el Premio Nobel de Física 2022.

La física cuántica es la ciencia de las cosas súper pequeñas. Gobierna cómo se comportan los átomos e incluso las partículas más pequeñas. Estos pequeños fragmentos de materia no obedecen las mismas reglas que los objetos más grandes. Una característica especialmente extraña de la física cuántica es el «entrelazamiento». Cuando dos partículas están entrelazadas, todo lo relacionado con ellas, desde su velocidad hasta la forma en que giran, está perfectamente conectado. Si conoces el estado de una partícula, entonces conoces el estado de la otra. Esto es cierto incluso cuando las partículas enlazadas están muy separadas.

Cuando se propuso esta idea por primera vez, físicos como Albert Einstein se mostraron escépticos. Las matemáticas podrían permitir el enredo en la teoría, pensaron. Pero no debería haber forma de que tales partículas vinculadas puedan existir en el mundo real.

Los ganadores del Premio Nobel de este año demuestran que, de hecho, lo hace. Y podría conducir a muchas tecnologías nuevas. Sistemas de comunicación completamente seguros, por ejemplo. O computadoras cuánticas que resuelven problemas que dejan perplejos a cualquier computadora ordinaria.

Cada uno de los ganadores de este año se llevará a casa un tercio del dinero del premio, que asciende a 10 millones de coronas suecas (con un valor aproximado de 900.000 dólares).

Un ganador es Alain Aspect. Trabaja en la Université Paris-Saclay y École Polytechnique en Francia. Otro es John Clauser, que dirige una empresa en California. Estos dos confirmaron que las reglas de la física cuántica realmente gobiernan el mundo.

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Anton Zeilinger, el tercer ganador, trabaja en la Universidad de Viena en Austria. Ha aprovechado la extrañeza cuántica confirmada por Aspect y Clauser para desarrollar nuevas tecnologías.

“Hoy, honramos a tres físicos cuyos experimentos pioneros nos mostraron que el extraño mundo del entrelazamiento… no es solo el micromundo de los átomos, y ciertamente no es el mundo virtual de la ciencia ficción o el misticismo”, dijo Thors Hans Hansson. “Es el mundo real en el que todos vivimos”. Hansson es miembro del Comité Nobel de Física, que eligió a los ganadores. Habló en una conferencia de prensa el 4 de octubre en la Real Academia Sueca de Ciencias en Estocolmo. Es donde se anunció el premio.

“Ciertamente fue muy emocionante conocer a los tres laureados”, dice Jerry Chow. Es físico en IBM Quantum en Yorktown Heights, NY “Todos ellos son muy, muy conocidos en nuestra comunidad cuántica. Y su trabajo es algo que realmente ha sido una gran parte de los esfuerzos de investigación de muchas personas durante muchos años”.

El concepto de entrelazamiento es tan extraño que incluso Einstein se mostró escéptico. Así es como funciona esta extraña característica de la física cuántica.

Demostrando el enredo

El descubrimiento de que las reglas cuánticas gobiernan cosas diminutas como los átomos y los electrones sacudió la física de principios del siglo XX. Muchos científicos destacados, como Einstein, pensaron que las matemáticas de la física cuántica funcionaban en teoría. Pero no estaban seguros de que realmente pudiera describir el mundo real. Ideas como el enredo eran demasiado extrañas. ¿Cómo podrías saber realmente el estado de una partícula mirando otra?

Einstein sospechó que la rareza cuántica del entrelazamiento era una ilusión. Debe haber alguna física clásica que pueda explicar cómo funciona, como el secreto de un truco de magia. Sospechó que las pruebas de laboratorio eran demasiado toscas para descubrir esa información oculta.

imagen en blanco y negro de John Clauser trabajando en un laboratorio
John Clauser desarrolló el primer experimento práctico para demostrar que no existen canales secretos de comunicación entre las partículas cuánticas.Artes Gráficas de la Universidad de California/Laboratorio Lawrence Berkeley

Otros científicos creían que el enredo no tenía ningún secreto. Las partículas cuánticas no tenían canales traseros ocultos para enviar información. Algunas partículas podrían quedar perfectamente enlazadas, y eso fue todo. Así funcionaba el mundo.

En la década de 1960, el físico John Bell ideó una prueba para demostrar que no había comunicación oculta entre los objetos cuánticos. Clauser fue el primero en desarrollar un experimento para ejecutar esta prueba. Sus resultados apoyaron la idea de Bell sobre el entrelazamiento. Partículas enlazadas solo son.

Pero la prueba de Clauser tenía algunas lagunas. Estos dejaban lugar a la duda. Aspect realizó otra prueba que descartó cualquier posibilidad de que alguna explicación oculta pudiera aclarar la extrañeza cuántica.

Los experimentos de Clauser y Aspect involucraron pares de partículas de luz o fotones. Crearon pares de fotones entrelazados. Esto significaba que las partículas actuaban como un solo objeto. A medida que los fotones se separaron, permanecieron entrelazados. Es decir, siguieron actuando como un único objeto extendido. Medir las características de uno reveló instantáneamente las del otro. Esto era cierto sin importar qué tan lejos estuvieran los fotones.

Alain Aspect señala una ecuación en la pantalla de un proyector
El trabajo de Alain Aspect ayudó a descartar la posibilidad de que la física clásica pudiera explicar la extrañeza de la mecánica cuántica.Jérémy Barande/Colecciones École Polytechnique/Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

El enredo es frágil y difícil de mantener. Pero el trabajo de Clauser y Aspect mostró que la física clásica no podía explicar los efectos cuánticos.

Los experimentos de Zeilinger muestran los usos prácticos de estos efectos. Por ejemplo, ha utilizado el entrelazamiento para crear encriptación y comunicación absolutamente seguras. Así es como funciona: la interacción con una partícula enredada afecta a otra. Entonces, cualquiera que intente echar un vistazo a la información cuántica secreta rompería el enredo de las partículas tan pronto como husmeara. Eso significa que nadie puede espiar un mensaje cuántico sin ser descubierto.

Zeilinger también ha sido pionero en otro uso del enredo. Eso es teletransportación cuántica. Esto no es como las personas que saltan de un lugar a otro en la ciencia ficción y la fantasía. El efecto consiste en enviar información de un lugar a otro sobre un objeto cuántico.

Las computadoras cuánticas son otra tecnología que dependería de partículas entrelazadas. Las computadoras normales procesan datos usando unos y ceros. Las computadoras cuánticas usarían bits de información que son una combinación de uno y cero. En teoría, tales máquinas podrían ejecutar cálculos que ninguna computadora normal puede.

Auge cuántico

anton zeilinger
Anton Zeilinger ha demostrado un fenómeno llamado teletransportación cuántica. Esta característica de la física hace posible mover un estado cuántico de una partícula a otra.Jaqueline Godany/Wikimedia Commons (CC BY 4.0)

«Este [award] es una sorpresa muy agradable y positiva para mí”, dice Nicolas Gisin. Es físico en la Universidad de Ginebra en Suiza. “Este premio es muy merecido. Pero llega un poco tarde. La mayor parte de ese trabajo se hizo en el [1970s and 1980s]. Pero el Comité Nobel fue muy lento y ahora se apresura tras el auge de las tecnologías cuánticas”.

Ese auge está ocurriendo en todo el mundo, dice Gisin. «En lugar de tener unas pocas personas que son pioneras en el campo, ahora tenemos multitudes realmente grandes de físicos e ingenieros que trabajan juntos».

Algunos de los usos más vanguardistas de la física cuántica aún están en pañales. Pero los tres nuevos premios Nobel han ayudado a transformar esta extraña ciencia de una curiosidad abstracta a algo útil. Su trabajo valida algunas ideas clave de la física moderna que alguna vez fueron cuestionadas. Algún día, también puede convertirse en una parte básica de nuestra vida diaria, en formas que ni siquiera Einstein podría negar.

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