Octubre, 2022
El francés Alain Aspect, el estadounidense John Clauser y el austriaco Anton Zeilinger comparten el Nobel de Física 2022 por sus experimentos con fotones entrelazados y sus avances en información cuántica. Las herramientas que han desarrollado han sentado las bases de una nueva era en tecnología cuántica.
La Real Academia de las Ciencias de Suecia ha concedido el Premio Nobel de Física de 2022 al francés Alain Aspect, al estadounidense John Clauser y al austriaco Anton Zeilinger, por su trabajo pionero en la ciencia de la comunicación cuántica.
Los tres físicos han demostrado que es posible controlar partículas en entrelazamiento cuántico, un estado en el que lo que le ocurre a una partícula determina lo que le pasa a otra, pese a estar incluso a kilómetros de distancia. En 2012, el equipo de Zeilinger logró “teleportar un estado cuántico” entre dos fotones de luz entrelazados y separados por 143 kilómetros: uno estaba en la isla canaria de La Palma y otro, en Tenerife. Las herramientas desarrolladas por los tres galardonados han despejado el camino hacia nuevas tecnologías de comunicación cuántica y métodos seguros de encriptación de la información, según ha destacado la academia.
“Se ha vuelto cada vez más claro que está surgiendo un nuevo tipo de tecnología cuántica. Podemos ver que el trabajo de los laureados con estados entrelazados es de gran importancia, incluso más allá de las cuestiones fundamentales sobre la interpretación de la mecánica cuántica”, ha dicho Anders Irbäck, presidente del Comité Nobel de Física.
Eva Olsson, miembro del Comité Nobel de Física, ha sido aún más elocuente: “La ciencia de la información cuántica es un campo vibrante y de rápido desarrollo”.
Cómo el enredo se ha convertido en una herramienta poderosa
La propia Academia Sueca de las Ciencias ha publicado un artículo divulgativo (en inglés) para tratar de explicar los detalles al gran público. En éste, explican:
Los fundamentos de la mecánica cuántica no son una mera cuestión teórica o filosófica. En la actualidad, se están realizando grandes esfuerzos por usar las singulares propiedades de los sistemas cuánticos para construir ordenadores y redes cuánticas, mejorar las mediciones y blindar la seguridad de las comunicaciones encriptadas.
Muchas de esas aplicaciones se basan en el entrelazamiento, un fenómeno cuántico que relaciona de manera inextricable las propiedades de las partículas, aunque éstas se encuentren separadas por grandes distancias. Si dos partículas están entrelazadas, al medir una propiedad de una de ellas, conoceremos de manera instantánea el resultado que obtendríamos al realizar esa misma medición en la otra partícula.
Alain Aspect, de la Universidad de París-Saclay y la Escuela Politécnica de Palaiseau, John Clauser y Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, han recibido el premio Nobel de física de 2022 precisamente por sus experimentos innovadores para investigar y controlar partículas entrelazadas.
Acción fantasmal
El entrelazamiento es uno de los elementos clave de la teoría cuántica, y también ha sido uno de los más debatidos, dado que choca de frente con nuestras ideas habituales sobre la causa y el efecto. ¿Cómo es posible un evento (la medición de una de las partículas) influya en otro distante de manera instantánea, sin que ambos sistemas intercambien ningún tipo de señal?
Desde un punto de vista clásico, el hecho de que el resultado de una medición pueda determinar el resultado de otra tampoco resulta tan extraño. Si pensamos en bolas en vez de en partículas, podemos imaginar un experimento en el que se envían dos bolas, una negra y otra blanca, en direcciones opuestas. Si un observador detecta una bola blanca, concluirá que la bola que viajó en la otra dirección es negra.
La particularidad de la mecánica cuántica es que el estado de un sistema no está bien definido hasta que no lo medimos. En general, el sistema se encuentra en una superposición de varios estados posibles —en nuestro ejemplo, el color de la bola estaría en una superposición de los estados negro y blanco—, cada uno con una cierta probabilidad de ser observado. Al medir el sistema, se destruye la superposición y vemos la bola en uno de esos estados posibles (negra o blanca). El resultado de tal medición es aleatorio y no es posible predecirlo… pero lo que sí sabemos con certeza es que, si las bolas están entrelazadas y observamos que una es blanca, la otra adoptará de inmediato el color opuesto.
A Einstein nunca le convenció la idea del entrelazamiento, y se refería a él de manera despectiva como «acción fantasmal a distancia». En 1935, junto a sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen, llegó a la conclusión de que la mecánica cuántica no era una teoría completa. Tal vez, sugirieron, existía una descripción más profunda de la realidad, con cierta información adicional (las llamadas «variables ocultas locales», donde «locales» hace referencia a que sus señales no pueden viajar más rápido que la luz) que permitiría explicar los resultados obtenidos al medir sistemas entrelazados, del mismo modo que uno podría determinar el resultado de un lanzamiento de moneda si conociese todas las variables clásicas implicadas (la fuerza con que se lanza, la velocidad del viento, etc.)
Desigualdades de Bell
El éxito de los ahora premiados se apoyan en el trabajo de John Stewart Bell, fallecido en 1990. Al físico norirlandés se le ocurrió una manera de averiguar si la realidad era inherentemente cuántica o admitía una descripción basada en variables ocultas. La idea consistía en medir alguna propiedad en cada una de las partículas de un par entrelazado. Al repetir muchas veces ese tipo de medición, aparecerían correlaciones en los resultados, y éstas debían ser inferiores a cierto valor para poder explicarlas mediante una teoría de variables ocultas. En ese sentido, la expresión matemática resultante se conoce como «desigualdad de Bell». (A menudo se habla de «desigualdades de Bell», en plural, porque se han propuesto diferentes expresiones, asociadas a distintas clases de experimentos, los cuales reciben el nombre de «test de Bell»).
John Clauser comenzó a interesarse por los fundamentos de la mecánica cuántica en los años sesenta, cuando aún era un estudiante. Una vez que conoció la idea de Bell, no pudo dejar de pensar en ella, hasta que finalmente, junto a otros tres investigadores propuso un experimento realista para poner a prueba una forma concreta de la desigualdad de Bell.
El experimento consistía en enviar un par de fotones, las partículas de la luz, en direcciones opuestas y medir su polarización (la dirección en la que oscila el campo eléctrico) sirviéndose de filtros que sólo permiten pasar a los fotones con una polarización determinada. (Esto último es justo lo que hacen las gafas de sol, que bloquean la luz que se ha polarizado al reflejarse en el agua u otra superficie plana).
Midiendo la polarización de cada partícula del par entrelazado para muchos pares de fotones y estudiando las correlaciones entre los resultados era posible determinar si se violaba la desigualdad de Bell, es decir, si las correlaciones eran tan fuertes que excluían la posibilidad de que el comportamiento de las partículas estuviera gobernado por variables ocultas (en cuyo caso, los resultados estarían determinados desde el mismo momento de emitirlas).
Finalmente, en 1972, junto con su (hoy fallecido) estudiante de doctorado Stuart Freedman, Clauser implementó su experimento y logró obtener un resultado que suponía una clara violación de la desigualdad de Bell y que coincidía con las predicciones de la mecánica cuántica.
Lagunas en los test de Bell
En los años siguientes, Clauser y otros físicos siguieron discutiendo el experimento y sus limitaciones. En realidad, existían resquicios o «lagunas» que permitían cuestionar los resultados. Una de ellas era que el experimento no era demasiado eficiente a la hora de producir y detectar los fotones. ¿Y si el montaje experimental seleccionaba de algún modo las partículas que mostraban una fuerte correlación y no detectaba el resto? De ser así, no podía descartarse que las partículas obedecieran a una teoría de variables ocultas.
Eliminar esa «laguna de la detección» era difícil, porque los estados cuánticos entrelazados son muy frágiles y difíciles de manejar. Alain Aspect, a la sazón estudiante de doctorado, no se dejó intimidar y construyó una nueva versión del experimento, que fue perfeccionando en sucesivos intentos. Su montaje le permitió detectar más fotones y mejorar la calidad de las mediciones.
Otra laguna importante era la de la localidad. En los primeros test de Bell, la medición estaba fijada de antemano, con los filtros formando ángulos fijos entre ellos. ¿Podía ser que la información sobre el filtro al que llegaría el fotón influyera en la forma en que se emitía desde la fuente? ¿O que la información sobre el filtro de un lado del experimento llegase al otro lado y afectase al resultado de la medición realizada allí?
En la última variante de sus pruebas, Aspect fue capaz de cambiar las condiciones del experimento una vez emitidos los fotones, lo que permitió descartar esas posibilidades. De este modo, cerró una importante laguna y llegó a una conclusión muy clara: la mecánica cuántica era correcta y no había variables ocultas locales. (Aunque en realidad, los primeros test de Bell sin lagunas no llegaron hasta 2015, un trabajo en el que también estuvo implicado el tercero de los galardonados, Anton Zeilinger).
Teletransporte cuántico
Los estados cuánticos entrelazados también constituyen la base de nuevas formas de almacenar, transferir y procesar la información. Si las partículas de un par entrelazado viajan en direcciones opuestas y una de ellas se encuentra con una tercera partícula, de tal manera que ambas se entrelazan, ocurre algo muy interesante: las propiedades de esa tercera partícula se transfieren a la partícula aislada del par original, un fenómeno denominado teleportación cuántica, o teletransporte cuántico. Y el primero que realizó un experimento de este tipo fue precisamente Zeilinger, en 1997.
La importancia del teletransporte cuántico reside en que es la única manera de transferir información cuántica de un sistema a otro sin perder parte de ella en el intento. En particular, no es posible medir todas las propiedades de un sistema cuántico en estado de superposición y enviarle la información a alguien para que lo reconstruya, dado que (como hemos apuntado antes) el propio acto de medir destruye la superposición. Sin embargo, mediante el teletransporte cuántico podemos transferir el estado cuántico de una partícula a otra sin necesidad de medirlo… a costa, eso sí, de destruirlo en la partícula original.
El siguiente paso fue usar dos pares de partículas entrelazadas. Si hacemos interactuar de una forma determinada una partícula de cada par, las otras dos partículas pueden entrelazarse a pesar de no haber estado nunca en contacto. El grupo de Zeilinger también fue el primero en implementar este «intercambio (swapping) de entrelazamiento», en 1998.
Es posible enviar pares entrelazados de fotones (las partículas de la luz) en direcciones opuestas a través de fibras ópticas y usarlas como señales en una red cuántica. Y el intercambio de entrelazamiento permite alargar las distancias entre los nodos de dicha red. Los fotones sólo pueden recorrer una distancia limitada a través de una fibra óptica antes de ser absorbidos o perder sus propiedades. Las señales luminosas se pueden amplificar repetidas veces, pero en el caso de redes cuánticas eso no es posible, pues rompería el entrelazamiento. Sin embargo, el intercambio de entrelazamiento permite transmitir el estado original a mayores distancias.
La era de la información cuántica
Estos y otros experimentos similares sentaron las bases de la intensa investigación que se desarrolla hoy en día en el área de la información y comunicación cuántica.
Poder manejar los estados cuánticos y todo su espectro de propiedades nos da acceso a herramientas con un potencial inesperado. Es la base de la computación cuántica, la transferencia y el almacenamiento de información cuántica y los algoritmos de criptografía cuántica. En la actualidad se emplean sistemas con más de dos partículas, todas ellas entrelazadas, como los que exploraron por primera vez Zeilinger y sus colaboradores.
Gracias a esas herramientas cada vez más complejas, las aplicaciones realistas están más y más cerca. Ya se ha logrado preservar el entrelazamiento en fotones enviados a través de decenas de kilómetros de fibra óptica, e incluso entre un satélite y una estación en la superficie. En poco tiempo, los investigadores de todo el mundo han ideado muchas formas nuevas de utilizar la propiedad más potente de la mecánica cuántica.
La primera revolución cuántica nos proporcionó transistores y láseres, pero ahora estamos entrando en una nueva era gracias a las nuevas herramientas para manipular sistemas de partículas entrelazadas. Justamente el premio Nobel de Física de este año ha premiado a los investigadores que dieron los pasos esenciales para hacerlo posible.
Perfiles
Alain Aspect (Agen-Francia, 1947) es profesor de la Universidad París-Saclay y el École Polytechnique en su país; John Clauser (Pasadena-Estados Unidos, 1942) es físico investigador en la compañía J.F. Clauser & Associates en California; y Anton Zeilinger (Ried im Innkreis-Austria, 1945) es profesor de la Universidad de Viena.
El anuncio del Nobel de Física —galardón que incluye 10 millones de coronas suecas, que se dividirá entre los tres investigadores— se ha producido en un acto en Estocolmo, en el que Zeilinger ha subrayado el trabajo colectivo en sus experimentos. “Este premio es un estímulo para los jóvenes: no habría sido posible sin los más de 100 jóvenes que han trabajado conmigo a lo largo de los años”, ha puntualizado el físico austriaco.
Los mismos tres hombres ganaron juntos también el Premio Wolf en 2010.
Por cierto: un año más, el jurado del Nobel de Física ha premiado únicamente a hombres. Desde 1901, sólo cuatro de los 221 científicos galardonados han sido mujeres. La polaca nacionalizada francesa Marie Curie fue la primera en 1903, por sus estudios sobre la radiactividad. La estadounidense de origen alemán Maria Goeppert-Mayer recibió el galardón en 1963, por sus investigaciones sobre la estructura interna del núcleo de los átomos. La canadiense Donna Strickland ganó en 2018 por desarrollar los pulsos de láser más intensos jamás creados por la humanidad. Y la estadounidense Andrea Ghez fue premiada en 2020 por descubrir un agujero negro en el centro de la Vía Láctea. 
