Algunas claves para entender el Premio Nobel de Física 2022
El 4 de octubre la Real Academia de Ciencias de Suecia entregó el Premio Nobel de Física 2022 a los investigadores Alain Aspect (Francia), John Clauser (Estados Unidos) y Anton Zeilinger (Austria) por sus aportes innovadores en mecánica cuántica.
Cada uno de ellos, ha realizado experimentos utilizando estados cuánticos entrelazados, en los que dos partículas subatómicas generan un vínculo “inexplicable” que se mantiene aun cuando ambas estén en lados opuestos del universo, comportándose como una sola unidad, incluso cuando están separadas.
Sus resultados innovadores permiten trabajar en el desarrollo potencial nuevas tecnologías, en áreas como telecomunicaciones, computación cuántica y ciberseguridad.
En esta nota entrevistamos al investigador del Instituto de Física, Jerónimo Maze, para comprender mejor la investigación de los galardonados y sus potenciales.
¿Qué son los fotones entrelazados o estados cuánticos entrelazados?
La mecánica cuántica nos dice que los estados de dos partículas pueden estar relacionados entre sí. Por ejemplo, si tenemos dos tazas de café, en donde cada una puede estar llena o vacía, la mecánica cuántica permite que existan estados en donde si la primera taza está llena, la segunda estará vacía. Y al mismo tiempo, si la primera está vacía, la segunda estará llena. De esta manera, si una persona observa la primera taza vacía, una segunda persona observará que la segunda taza está llena, sin importar la distancia que las separe. Por supuesto, en nuestra experiencia cotidiana esto no ocurre. Sin embargo, esta propiedad comienza a emerger a medida que consideramos sistemas cada vez más pequeños como pares de fotones, electrones, etcétera.
La manera en que se encuentran entrelazadas las partículas es distinta a la que predice la mecánica clásica. Einstein, a quien este actuar a distancia le parecía fantasmagórico o espeluznante, ideó junto a Podolski y Rosen en 1935 un experimento pensado para poner a prueba a la mecánica cuántica. Si el experimento fallaba según las predicciones de la mecánica cuántica, esta estaba incompleta.
¿Cómo se produce el entrelazamiento?
El entrelazamiento de dos partículas está asociado a eventos físicos específicos en donde existe alguna cantidad o propiedad que se conserva. Por ejemplo, en el caso de la conservación de momento angular total, la polarización de dos fotones (sus momentos angulares) están entrelazados si estos provienen de un átomo excitado que ha decaído a un estado fundamental y en donde el cambio de momento angular del átomo ha sido nulo. En este caso, cada fotón puede tener momento angular, pero estos son opuestos ya que la suma de sus momentos angulares debe ser cero. Este proceso puede ocurrir tanto naturalmente o ser inducido experimentalmente como lo hicieron Clauser (1972) y Aspect (1982).
¿Por qué los resultados experimentales que obtuvieron los galardonados fueron tan innovadores?
Alain Aspect comprobó experimentalmente en 1982 que las predicciones de la mecánica cuántica eran correctas. Fue un experimento pionero en donde Aspect observó la polarización de un par de fotones entrelazados.
¿Qué es la polarización de un fotón?
La luz, que está compuesta de fotones, es una onda electromagnética. Existe un campo eléctrico y magnético, y la dirección en donde apunta este campo eléctrico es su polarización. Sin embargo, para que el experimento fuese válido, las polarizaciones debían observarse en puntos separados y de manera simultánea de manera que ningún tipo de información pudiese transmitirse entre ellos, incluso si esta información viajaba a la velocidad de la luz. Clauser había realizado un experimento similar 10 años antes en donde también se comprobaba la predicción de la mecánica cuántica, pero que no satisfacía esta condición. Luego, Anton Zeilinger realizaba en 1997 la primera demostración de teletransportación cuántica.
¿Cuál es el impacto de este hallazgo en el desarrollo de nuevas tecnologías a mediano y largo plazo?
La información cuántica aprovecha la propiedad de superposición de la mecánica cuántica. Nuestra taza de café puede estar llena y vacía a la vez. Este principio que recordemos aplica cada vez más a medida que miniaturizamos los dispositivos electrónicos, y en especial los computadores, causa que los elementos básicos de la información que llamamos bits ya no estén en estados 0 y 1 como nos dice la lógica binaria, sino que podrán estar en cualquier superposición de estos estados al mismo tiempo, un bit cuántico. Esto ha permitido el desarrollo de la computación cuántica que podría resolver problemas de manera inmensamente más eficiente que un computador clásico. Un ejemplo de esto es la factorización de grandes números, es decir, encontrar los factores primos que componen a un número dado (por ejemplo, 21 es igual a 3 por 7, entonces 3 y 7 son sus factores primos). Es fácil encontrar la multiplicación de varios números primos, pero es tremendamente difícil encontrar los números primos de otro número arbitrariamente grande. Esta operación inversa que para un computar clásico le tomaría billones de años, a un computador cuántico le tomaría minutos. Actualmente, y en ausencia aun de un computador cuántico de muchos quantums bits, los algoritmos de encriptación utilizan esta dificultad para transmitir información de manera segura. Claramente el avance de la computación cuántica pone en riesgo la seguridad de la transmisión de información.
Sin embargo, la mecánica cuántica también provee la solución a esta crisis de información segura. Utilizando fotones entrelazados es posible transmitir información de manera segura. En el año 1997, fotones entrelazados fueron producidos desde un satélite y observados a más de mil kilómetros de distancia. Y en el año 2020 estos fotones fueron utilizados para generar información segura entre dos localidades de China separadas por más de mil kilómetros.
La mecánica cuántica también tiene otras aplicaciones en el desarrollo de sensores para explorar nuestro mundo nanoscópico con una precisión sin precedentes. Esta área conocida como metrología cuántica, junto a la computación cuántica y la generación de fotones entrelazados cuánticamente, impactará al mundo y a la manera de comunicarnos entre nosotros.
Crédito Imagen MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images.
