El trío que demostró que la mecánica cuántica es realmente extraña y útil, honrado

En una mención que muchos físicos esperaban durante décadas, el Premio Nobel de Física de este año honra a tres investigadores que probaron un extraño fenómeno mecánico cuántico llamado entrelazamiento, allanando el camino para los florecientes campos de las comunicaciones cuánticas y la computación cuántica.

Dos de ellos, John Clauser de JF Clauser & Associates y Alain Aspect de la Universidad de Paris-Saclay y el Instituto Politécnico de París, demostraron que el entrelazamiento cuántico, que Albert Einstein ridiculizó como «acción espeluznante a distancia», no se puede explicar con más física clásica intuitiva. El tercero, Anton Zeilinger de la Universidad de Viena, mostró cómo se puede usar el entrelazamiento para, por ejemplo, «teletransportar» información de una partícula subatómica a otra. Los tres comparten el premio de 10 millones de coronas suecas ($ 915,000) por igual.

“Estoy absolutamente emocionado”, dice Adrian Kent, físico cuántico de la Universidad de Cambridge. “El reconocimiento está atrasado para estos gigantes en el campo”. Ronald Hanson, físico cuántico de la Universidad Tecnológica de Delft, dice: «Es un premio hermoso». El trabajo de los laureados “básicamente ha abierto todo este campo de la ciencia y las tecnologías de la información cuántica”, dice.

La historia del entrelazamiento se remonta a 1935 y al descontento de Einstein con la naturaleza contingente de la mecánica cuántica. La teoría cuántica establece que las propiedades de un objeto, como un electrón, dependen de cómo se mida. Mide con precisión la posición del electrón y su momento se vuelve incierto e impredecible, y viceversa. Por lo tanto, puede tener una posición o un impulso definidos, pero no ambos. Einstein insistió en que la posición y el momento de una partícula deberían ser «elementos de la realidad» que existen independientemente de que se midan. Sugirió que detrás del velo de la incertidumbre cuántica, las «variables ocultas» predeterminan esos valores.

En 1964, el teórico británico John Bell propuso una prueba de esa idea. Bell señaló que dos partículas cuánticas se pueden entrelazar de modo que, aunque el estado de cada partícula individual es incierto, sus dos estados están completamente correlacionados. Por ejemplo, un fotón puede polarizarse horizontalmente, verticalmente o, según la mecánica cuántica, en ambos sentidos a la vez, lo que deja incierta su polarización. Sin embargo, se pueden entrelazar dos fotones de modo que, aunque la polarización de cada uno sea incierta, se garantiza que estarán polarizados de la misma manera.

En términos generales, Bell imaginó a dos observadores, Alice y Bob, compartiendo pares de fotones entrelazados y comparando sus medidas. Cada uno tiene un analizador de polarización que se puede orientar aleatoriamente, y cuando los dos analizadores no están alineados, las correlaciones entre las medidas de Alice y Bob caen a menos del 100%. Aún así, Bell demostró que si las variables ocultas determinan el resultado de sus mediciones, las correlaciones restantes solo pueden ser tan fuertes. Pero, la mecánica cuántica predice que serán más fuertes. Si los experimentadores pudieran observar esas correlaciones, entonces, sorprendentemente, podrían refutar la existencia de variables ocultas.

En 1969, Clauser, entonces en la Universidad de Columbia, dirigió un equipo que perfeccionó la idea general de Bell para que pudiera aplicarse a un experimento real con átomos de calcio. En 1972, él y otro colega realizaron el experimento, observaron las correlaciones extrafuertes predichas por la teoría cuántica y proporcionaron una primera prueba del teorema de Bell.

Sin embargo, tales experimentos son complicados, ya que requieren descartar todas las influencias que podrían permitir que la salida de un analizador afecte la del otro y produzca correlaciones espurias. En la década de 1980, Aspect y su equipo realizaron versiones muy refinadas de los experimentos, incluidas modificaciones como elegir efectivamente las orientaciones de los analizadores solo en los nanosegundos posteriores a la emisión de los fotones. Sin embargo, no fue hasta 2015 que Hanson y su equipo realizaron el llamado experimento sin lagunas.

Si Clauser y Aspect utilizaron el entrelazamiento para demostrar que la mecánica cuántica es tan rara como se anuncia, Zeilinger fue pionera en su uso como herramienta. Por ejemplo, en 1998, su equipo demostró cómo podría tomar dos pares de fotones entrelazados e intercambiar el entrelazamiento de manera que un fotón del primer par termine entrelazado con un fotón del segundo, una técnica que podría resultar esencial para conectar nodos distantes. en un internet cuántico inhackeable. El grupo de Zeilinger también demostró que podía usar un par de fotones entrelazados auxiliares para transferir o «teletransportar» instantáneamente el estado cuántico exacto de un fotón a otro.

Tal trabajo sembró el crecimiento de la ciencia de la información cuántica y la computación cuántica, campos en auge que buscan utilizar el entrelazamiento y otros efectos para realizar proezas tecnológicas imposibles de obtener con la electrónica clásica. Tal potencial apenas estaba claro hace décadas, señala Jian-Wei Pan, físico cuántico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, quien fue estudiante de posgrado de Zeilinger en la década de 1990. “Hace muchos años, la gente no pensaba que la información cuántica fuera ciencia real”, dice. “A los científicos de la información no les gustó y a los investigadores básicos puros tampoco les gustó”. Ahora, es quizás el área más candente de la física.

Si bien el premio de este año celebra el potencial de la ciencia de la información cuántica, también destaca un premio que nunca se entregó. “John Bell debería haber sido reconocido” con un Premio Nobel, dice Pan. “Desafortunadamente, la ciencia de la información cuántica aún no había surgido cuando falleció”. Bell murió en 1990 a la edad de 62 años.