El Premio Nobel de Física de este año fue otorgado en partes iguales a Alain Aspect de la Universidad de Paris-Saclay, John F. Clauser de JF Clauser & Associates y Anton Zeilinger de la Universidad de Viena, por su trabajo innovador en mecánica cuántica y mecánica cuántica. Ciencias de la Información.
Trabajando de forma independiente, cada uno de los tres investigadores forjó nuevos experimentos que demuestran e investigan el entrelazamiento cuántico, el curioso fenómeno en el que existen dos o más partículas en el llamado estado entrelazado. En esta extraña situación, una acción realizada sobre una de las partículas puede propagarse instantáneamente a través de todo el conjunto enredado, prediciendo el comportamiento de las otras partículas, incluso si están muy separadas. Si un observador determina el estado de una de esas partículas, sus contrapartes entrelazadas reflejarán instantáneamente ese estado, ya sea que estén en la misma habitación que el observador o en una galaxia en el lado opuesto del universo. Aunque este fenómeno se ha convertido en un aspecto esencial de las tecnologías cuánticas modernas, es tan contrario a la intuición y aparentemente imposible que Albert Einstein lo ridiculizó una vez como “acción espeluznante a distancia”.
El trabajo de los científicos ha abordado colectivamente enigmas centrales que fueron profundamente investigados en la década de 1960 por el físico norirlandés John Stewart Bell, quien trató de comprender qué implica el “espeluznante” enredo sobre la naturaleza fundamental de la realidad. ¿Podría ser, como creía Einstein, que todos los objetos, ya sean planetas o partículas, posean propiedades fundamentales que se pueden discernir mediante una observación precisa? Si es así, la rareza cuántica sería solo una ilusión que surge de la falla de la mecánica cuántica para dar cuenta de las “variables ocultas” aún no descubiertas inherentes a las partículas que pueblan el mundo subatómico. Al preordenar los estados de partículas entrelazadas muy separadas antes de que se midieran esas partículas, las variables ocultas explicarían claramente cómo lograron reflejar el estado de cada una sin que la información viajara entre ellas más rápido que la velocidad de la luz, una violación profunda de uno de los principios más fundamentales. de la física La idea de Einstein chocó con una alternativa preferida por Niels Bohr, Erwin Schrödinger y otros físicos, quienes rechazaron la noción de tales variables ocultas. La realidad, dijeron, es intrínsecamente borrosa, y las partículas solo adquieren ciertas características específicas al medirlas.
Ampliando un concepto propuesto unas tres décadas antes por Einstein y sus colegas físicos Boris Podolsky y Nathan Rosen, en 1964 Bell demostró que si existieran variables ocultas, su presencia podría inferirse experimentalmente a través de mediciones cuidadosas de múltiples pares de partículas entrelazadas. Cuando, por ejemplo, los giros de tales partículas se miden a lo largo de un eje direccional variable (es decir, no solo “arriba” o “abajo” sino también varios estados intermedios), ciertas correlaciones entre los giros pares colectivos deberían ser mucho más fuertes si están dictados puramente por la mecánica cuántica y, en consecuencia, son más débiles si están influenciados por variables ocultas. Realizar este experimento podría confirmar que la realidad, en el fondo, es puramente mecánica cuántica o, en cambio, revelar la presencia de capas más profundas y fundamentales de complejidad física. Tales “pruebas de Bell”, sin embargo, contenían múltiples lagunas potenciales que podrían confundir sus resultados. Y durante décadas, legiones de investigadores trabajaron fervientemente para cerrarlos.
En 1969, Clauser fue el primero en concebir una prueba práctica de Bell, que consistía en medir el entrelazamiento cuántico determinando la polarización de pares de fotones entrelazados lanzados en direcciones opuestas. Luego realizó el experimento en 1972 junto con el difunto Stuart Freedman, que entonces era un estudiante graduado, lo que confirmó que los fotones actuaron en conjunto a pesar de su separación física. El trabajo de Clauser indicó que las variables ocultas no podían explicar los efectos del entrelazamiento, lo que sugiere que la teoría cuántica permaneció intacta como una descripción esencialmente completa de la realidad.
Pero las lagunas permanecieron. Y unos 10 años después, después de refinar el experimento de Clauser, Aspect y sus colaboradores cerraron uno de ellos al desarrollar una forma de cambiar las direcciones de los pares de fotones entrelazados en milmillonésimas de segundo, después de que los fotones abandonaron su fuente pero antes de que llegaran a un punto. detector. Esto aseguró que las configuraciones de medición que existían cuando se emitieron los fotones no pudieran afectar el resultado final, reforzando en gran medida la noción de que las variables ocultas no existen. Independientemente de lo que ocurra fundamentalmente durante la medición de partículas entrelazadas (todavía un tema de intenso debate entre los científicos), el trabajo de Aspect demostró que lo hace dentro de los límites de la teoría cuántica existente. La última laguna importante para las pruebas de Bell se cerró en 2015 gracias al trabajo de cuatro grupos de investigación diferentes.
Zeilinger y sus colegas ampliaron enormemente el uso y el estudio de los estados cuánticos entrelazados. En 1997, fueron uno de los dos grupos de investigación que demostraron de forma independiente un fenómeno llamado teletransportación cuántica, que utiliza el entrelazamiento para permitir que los estados cuánticos se muevan de una partícula a otra a través de distancias arbitrarias. (El otro equipo estaba encabezado por el físico italiano Francesco De Martini.) El grupo de Zeilinger logró varias “primicias” más en la ciencia de la información cuántica. Hoy en día, la teletransportación cuántica se ha convertido en el centro de los esfuerzos nacientes para construir una “Internet cuántica” que abarque todo el mundo. Y Zeilinger colaboró en el trabajo que utilizó con éxito la técnica para crear la nave espacial Micius de China, el primer satélite de comunicaciones cuánticas.
Durante el anuncio del premio, Eva Olsson, miembro del Comité Nobel de Física, dijo que el trabajo de Aspect, Clauser y Zeilinger ha “abierto puertas a otro mundo, y también ha sacudido los cimientos de cómo interpretamos las medidas”.
En conjunto, la investigación del trío ha contribuido en gran medida a la ciencia de la información cuántica, el campo científico que sustenta la carrera en curso para desarrollar dispositivos y técnicas prácticas que aprovechan los principios cuánticos para lograr avances en la informática, las comunicaciones y la criptografía.
“El trabajo de Aspect, Clauser y Zeilinger proporciona el método teórico práctico y las mediciones experimentales concluyentes que subrayan la distinción entre los mundos cuántico y clásico, mostrando que los objetos cuánticos se pueden relacionar a través del entrelazamiento de una manera que no es posible con los objetos clásicos”. dice Andrew Cleland, físico cuántico de la Universidad de Chicago. “Su trabajo forma la base fundamental para la computación cuántica y la comunicación cuántica”.
John Preskill, un científico líder en información cuántica del Instituto de Tecnología de California, señala que muchas tecnologías maduras ya son “cuánticas” en cierto sentido: los láseres, las máquinas de imágenes por resonancia magnética y los chips de computadora de miles de millones de transistores dependen de la mecánica cuántica que se desarrolla en escalas subatómicas. . “Pero esas tecnologías”, dice, “solo han arañado la superficie de cómo la teoría cuántica ha modificado nuestra visión de lo que es posible en el universo”.
Y, agrega Preskill, “las crecientes inversiones en tecnologías cuánticas que ahora se están produciendo en todo el mundo se basan en cimientos científicos que se derivan del trabajo pionero de Bell, Clauser, Aspect y Zeilinger”.
En una conferencia de prensa poco después del anuncio, Zeilinger expresó su sorpresa por haber recibido el premio y reconoció la influencia del difunto Helmut Rauch, quien había sido su asesor académico, así como de los “más de 100 jóvenes que trabajaron conmigo durante el años e hizo todo esto posible.” A pesar de la miríada de aplicaciones emergentes para el entrelazamiento cuántico, Zeilinger dijo que lo que más lo inspira sigue siendo el misterio que aún plantea sobre la naturaleza de la realidad. “Algunas de las preguntas fundamentales, la misma pregunta ‘¿Qué significa esto realmente?’, de manera básica, aún no tienen respuesta en mi opinión”, dijo. “Y esa es una vía para nuevas investigaciones”.