💡 La Real Academia Sueca de Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Física 2022 conjuntamente a Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger «por experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y pioneros en la ciencia de la información cuántica».
Esto llega en un momento en que las tecnologías cuánticas se están convirtiendo en un tema de gran interés a medida que visualizamos un futuro con ordenadores cuánticos y el Internet cuántico.
📰 La historia del último Premio Nobel de Física comenzó con el descubrimiento de la mecánica cuántica. Continuó con Einstein identificando una nueva característica, el entrelazamiento, mientras intentaba demostrar que la mecánica cuántica era una teoría incompleta.
Siguió con John S. Bell identificando una forma en que el dilema de Einstein podría ser probado: una forma de demostrar si el entrelazamiento realmente existe.
Y terminó con los recién laureados demostrando experimentalmente que, posiblemente, el resultado más extraño de la mecánica cuántica es correcto y Einstein estaba equivocado. El éxito en la experimentación con partículas entrelazadas abrió las puertas para el desarrollo de los ordenadores cuánticos, la criptografía cuántica y el Internet cuántico.
¿Es correcta la Mecánica Cuántica? 🤔
La mecánica cuántica se considera una teoría extraña porque muchas de sus conclusiones entran en conflicto con nuestra experiencia cotidiana y nuestra intuición, no solo para el público general, sino también para los especialistas. Uno de los comportamientos más extraños de la mecánica cuántica es el entrelazamiento 🧬.
Según la mecánica cuántica, un par de partículas pueden compartir una propiedad (su estado cuántico) de forma que pertenece a las dos como si fueran una única entidad, sin importar cuán separadas estén. Alguien que midiera la propiedad en una de las partículas podría conocer inmediatamente la propiedad de la otra, sin importar cuán lejos esté.
En 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen postularon la llamada paradoja EPR para demostrar el aparente conflicto entre entrelazamiento y relatividad. Según la mecánica cuántica, la propiedad compartida de las partículas no se define hasta que se mide. Einstein, Podolsky y Rosen pensaron que debería haber algún tipo de información o variable oculta, desconocida para nosotros, que predeterminara el resultado.
🧐 Imagina que nuestras partículas son bolas con la propiedad de que si una es negra, la otra es blanca y viceversa, esa correlación es lo que llamamos entrelazamiento. Lanzamos las bolas a dos observadores diferentes, Alice y Bob. La mecánica cuántica dice que el color de las bolas no se define hasta que se mide. Cuando Alice observe el color de su bola sabrá que si su bola es blanca, la de Bob será negra. Si su bola resulta negra, la de Bob será blanca.
Einstein, Podolsky y Rosen sugerían que los colores de las bolas estarían definidos desde el principio. Según ellos, la mecánica cuántica estaba incompleta y aún no había identificado algún tipo de variable oculta que pudiera reconciliar sus conclusiones con nuestra experiencia cotidiana.
¿Cómo saber quién tenía razón? 👇👇
En 1964, el físico irlandés John Stewart Bell diseñó una prueba que proporcionaría resultados diferentes dependiendo de cuál de las teorías fuera la realmente correcta. Las llamadas desigualdades de Bell producen un resultado si el mundo se comporta con variables ocultas. Por el contrario, si la mecánica cuántica fuera real, el experimento violaría la desigualdad de Bell proporcionando un resultado diferente.
John Clauser diseñó una forma de realizar prácticamente la prueba de Bell. En 1972, con su alumno Stuart Freedman, fue el primero en realizar una prueba de Bell real. Su experimento demostró la violación de la desigualdad de Bell.
Pero ¿pudieron las decisiones tomadas en el experimento influir en el resultado? 🤨
En 1982 Alain Aspect mejoró los experimentos de Clauser para eliminar este riesgo. En particular, fue capaz de tomar decisiones sobre cómo medir los fotones de forma independiente en cada extremo después de que los fotones habían sido emitidos para evitar cualquier correlación espuria en el experimento.
Anton Zeilinger fue más allá probando las desigualdades de Bell, incluso tomando decisiones de medición basadas en fotones obtenidos 600 años antes en algún lugar de la Vía Láctea.
John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger demostraron empíricamente que la mecánica cuántica es correcta: el mundo no está limitado deterministamente por variables ocultas. El entrelazamiento es una característica real y la aleatoriedad influye en el mundo tal como lo conocemos.
Hacia una Internet cuántica 🚀
Los estados cuánticos se ven afectados cuando se miden. Entonces, ¿es posible transferir un estado cuántico sin medirlo? ¡Esto sería realmente útil! Internet puede transferir información de una computadora a otra.
Esto se hace copiando bits a través de dispositivos y redes, y es posible porque los bits se pueden medir. Sin embargo, las computadoras cuánticas trabajan con qubits (bits cuánticos). ¿Cómo se transfiere un estado cuántico si no se puede medir o clonar?
En 1997 Anton Zeilinger comenzó a experimentar con la llamada «teleportación cuántica». No se trata de una transferencia de materia como en las películas de ciencia ficción. Es un nombre engañoso para expresar la transferencia de un estado cuántico de una partícula a otra diferente que pertenece a un par de partículas entrelazadas.
Podemos imaginar el uso de la teleportación cuántica para transferir la información de un qubit a una computadora cuántica distante. Sin embargo, las dos computadoras cuánticas tendrían que estar lo suficientemente cerca de la fuente de partículas entrelazadas, ya que el entrelazamiento no se puede mantener a grandes distancias en fibra óptica, por ejemplo.
Después de demostrar la teletransportación cuántica, en 1998 Zeilinger y su equipo fueron capaces de crear entrelazamientos entre partículas distantes, con el llamado intercambio de entrelazamiento. Toma dos pares de partículas entrelazadas. Si entrelazas nuevamente una de cada par, las dos partículas restantes quedarán entrelazadas entre sí, ¡incluso si nunca estuvieron juntas! Al lograr esto, demostraron que el entrelazamiento se puede crear a grandes distancias.
Podemos imaginar una futura Internet cuántica sobre la que ordenadores cuánticos distantes podrán transferirse información en la futura Internet cuántica gracias a la combinación de la teleportación y el intercambio de entrelazamiento.
Un premio para quienes hicieron posible el futuro 👏👏
La capacidad de manipular la materia a un nivel en el que podemos crear y gestionar el entrelazamiento está permitiendo el desarrollo de las tecnologías cuánticas. El entrelazamiento es fundamental para desarrollar ordenadores, comunicaciones, criptografía y sensores cuánticos. El Premio Nobel de Física 2022 reconoce a algunos de los investigadores que hicieron posible el futuro.
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Jaime Gómez García
Universia
Experto en arquitectura de infraestructura IT y telecomunicaciones. Aprendo sobre Internet, redes y criptografía aplicada cada día desde mediados de los 90.
