Experimentos «espeluznantes» de entrelazamiento cuántico ganan el Nobel de Física

El premio es para tres físicos experimentales cuya investigación pionera ha sentado las bases para la ciencia de la información cuántica.

Tres físicos cuánticos han ganado el Premio Nobel de Física 2022 por sus experimentos con fotones entrelazados, en los que las partículas de luz se unen inextricablemente. Dichos experimentos han sentado las bases para una gran cantidad de tecnologías cuánticas, incluidas las computadoras y las comunicaciones cuánticas.

Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger compartirán cada uno un tercio del premio de 10 millones de coronas (915.000 dólares estadounidenses).

«De hecho, me sorprendió mucho recibir la llamada», dijo Zeilinger, físico de la Universidad de Viena, en la conferencia de prensa que anunciaba el premio. «Este premio no sería posible sin el trabajo de más de 100 jóvenes a lo largo de los años».

Aspect, físico de la Universidad de Paris-Saclay, recibió la llamada durante una reunión del comité. «Estaba sentado cerca de Aspect esta mañana cuando recibió la llamada», dice Serge Haroche, físico experimental del Collège de France en París que compartió el Premio Nobel de Física 2012 por su trabajo en física cuántica, y agrega que cuando Aspect se fue la sala, sus colegas supusieron correctamente que era Estocolmo llamando.

Los experimentos del trío demostraron que las conexiones entre las partículas cuánticas no se debían a «variables ocultas» locales, factores desconocidos que vinculan de manera invisible los dos resultados. En cambio, el fenómeno proviene de una asociación genuina en la que manipular un objeto cuántico afecta a otro lejano . El físico alemán Albert Einstein llamó al fenómeno «acción espeluznante a distancia»; ahora se conoce como entrelazamiento cuántico.

Los tres ganadores son pioneros en los campos de la información cuántica y las comunicaciones cuánticas, dice Pan Jianwei, físico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei que participó en algunos de los experimentos emblemáticos de Zeiliger como estudiante graduado en la década de 1990. El reconocimiento se debió hacer hace mucho tiempo, dice Pan. «Hemos estado esperando esto durante mucho, mucho tiempo».

La victoria es una «hermosa noticia», concuerda Chiara Marletto, física teórica de la Universidad de Oxford, Reino Unido. Las versiones modernas de los experimentos iniciados por los tres ganadores podrían ser fundamentales para una de las grandes preguntas abiertas de la física actual, dice: cómo reconciliar la mecánica cuántica con la teoría general de la relatividad de Albert Einstein.

Pares de partículas

Debido a los efectos del entrelazamiento cuántico, medir la propiedad de una partícula en un par entrelazado afecta inmediatamente los resultados de las mediciones en la otra. Es lo que permite que funcionen las computadoras cuánticas: estas máquinas, que buscan aprovechar la capacidad de las partículas cuánticas para existir en más de un estado a la vez, realizan cálculos que serían imposibles en una computadora convencional. Hoy en día, los físicos están utilizando el entrelazamiento para desarrollar el cifrado cuántico y una Internet cuántica que permitiría comunicaciones ultraseguras y nuevos tipos de sensores y telescopios.

Pero si las partículas podrían vincularse fundamentalmente de esta manera, de modo que medir una determina las propiedades de otra, en lugar de solo revelar un estado predeterminado, fue un tema de debate desde que los físicos sentaron las bases de la mecánica cuántica en la década de 1920.

En la década de 1960, el físico John Bell propuso un grupo de pruebas matemáticas, conocidas como desigualdades de Bell, para distinguir entre las dos ideas. Estas pruebas dijeron que los resultados experimentales que parecían estar correlacionados más allá de un valor particular solo serían posibles a través del entrelazamiento cuántico, y no debido a ciertos tipos de variables ocultas. La mecánica cuántica predice un mayor grado de correlación de lo que sería posible en la física clásica o precuántica.

En 1972, John Clauser, ahora físico en JF Clauser & Associates en Walnut Creek, California, y sus colegas desarrollaron estas ideas en un experimento práctico que violó la desigualdad de Bell, apoyando las teorías de la mecánica cuántica.

Clauser se encontró con el trabajo de John Bell por casualidad mientras buscaba en la biblioteca de la Universidad de California en Berkeley, donde era investigador postdoctoral, dice David Kaiser, físico cuántico e historiador de la ciencia en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. Clauser quedó cautivado y le escribió a Bell para preguntarle si alguien había intentado probar sus desigualdades experimentalmente. Bell respondió que nadie lo había hecho y lo animó a hacerlo. Sin embargo, la reacción del resto de la comunidad no fue tan cálida. «La gente decía, por escrito. que esto no es física real, que el tema no vale la pena», dice Kaiser.

Lagunas y teletransportación

A pesar del éxito de Clauser, quedaron lagunas experimentales que dejaron espacio para que variables ocultas crearan la ilusión del entrelazamiento cuántico, que Aspect se propuso cerrar en la década de 1980. Sus experimentos utilizaron una configuración cambiante que significaba que no se podía decir que las decisiones experimentales estuvieran predeterminando los resultados.

Y en 1997, Anton Zeilinger, físico de la Universidad de Viena, y sus colegas utilizaron el fenómeno del entrelazamiento para demostrar la teletransportación cuántica, en la que un estado cuántico se transmite de un lugar a otro. Los sistemas cuánticos no se pueden detectar y reconstituir en otro lugar, ya que la medición destruye sus delicadas propiedades cuánticas. Pero un estado puede transferirse entre dos partículas a distancia, si cada una está entrelazada con la mitad de un par previamente entrelazado.

La teletransportación permite comunicaciones súper seguras, porque cualquier escucha haría que las partículas perdieran sus delicados estados cuánticos. También es una forma en que las futuras computadoras cuánticas podrían transferir información. Desde los experimentos iniciales de Zeilinger, los físicos han logrado teletransportar electrones, así como átomos y circuitos superconductores.

En experimentos más recientes, Zeilinger, junto con Kaiser y otros colaboradores, intentaron acabar con más lagunas en las pruebas de la desigualdad de Bell mediante el uso de las propiedades de la luz estelar emitida hace siglos para definir escenarios experimentales.

Aunque la física es ahora la base de una industria en ciernes, este tipo de experimentos podrían continuar brindando información sobre la física fundamental. Una esperanza, dice Marletto, es mostrar si dos partículas pueden enredarse a través de una interacción gravitatoria. Aparentemente, la relatividad general es incompatible con la mecánica cuántica, y tales experimentos podrían proporcionar pistas sobre cómo desarrollar una teoría cuántica de la gravedad para reemplazarla. «La gravedad es el elefante en la habitación», dice Marletto.

Kaiser les da crédito a los tres ganadores del Nobel por haber tenido la persistencia y el ingenio para investigar lo que parecen fenómenos «fantásticos» y preguntar: «¿Puede el mundo realmente funcionar así?».

«En ese momento, era solo una investigación de cielo azul, sin aplicaciones a la vista», dice Haroche. «Es un maravilloso ejemplo de la conexión entre la ciencia básica y la aplicación», agrega. «Una demostración de la utilidad del conocimiento inútil».