Tres físicos se reparten el premio por sus descubrimientos sobre el misterioso mundo de la mecánica cuántica

El Premio Nobel de Física 2022 ha sido concedido a un trío de científicos por sus experimentos pioneros en mecánica cuántica, la teoría que abarca el micromundo de los átomos y las partículas

Alain Aspect, de la Universidad París-Saclay (Francia), John Clauser, de J.F. Clauser & Associates (EE UU), y Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena (Austria), se repartirán la suma de 10 millones de coronas suecas «por sus experimentos con fotones entrelazados, establecer la violación de las desigualdades de Bell y ser pioneros en la ciencia de la información cuántica».

El mundo de la mecánica cuántica parece muy extraño. En la escuela nos enseñan que podemos utilizar las ecuaciones de la física para predecir con exactitud cómo se comportarán las cosas en el futuro: dónde irá una pelota si la hacemos rodar por una colina, por ejemplo.

La mecánica cuántica es diferente a esto. En lugar de predecir resultados individuales, nos dice la probabilidad de encontrar partículas subatómicas en lugares concretos. En realidad, una partícula puede estar en varios lugares al mismo tiempo, antes de «elegir» un lugar al azar cuando la medimos.

Incluso el propio Albert Einstein se sintió desconcertado por esto, hasta el punto de estar convencido de que era un error. En lugar de que los resultados sean aleatorios, pensaba que debe haber algunas «variables ocultas», fuerzas o leyes que no podemos ver, que influyen de forma predecible en los resultados de nuestras mediciones.

Algunos físicos, sin embargo, aceptaron las consecuencias de la mecánica cuántica. John Bell, un físico de Irlanda del Norte, hizo un importante avance en 1964, al idear una prueba teórica para demostrar que las variables ocultas que Einstein tenía en mente no existen.

Según la mecánica cuántica, las partículas pueden estar «entrelazadas», conectadas de forma misteriosa, de modo que si se manipula una, se manipula también la otra de forma automática e inmediata. Si esta misteriosa conexión (partículas muy separadas que se influyen mutuamente de forma instantánea) se explicara porque las partículas se comunican entre sí a través de variables ocultas, se necesitaría una comunicación más rápida que la luz entre ambas, algo que las teorías de Einstein prohíben.

El entrelazamiento cuántico es un concepto difícil de entender, que esencialmente vincula las propiedades de las partículas sin importar lo lejos que estén. Imaginemos una bombilla que emite dos fotones (partículas de luz) que viajan en direcciones opuestas alejándose de ella.

Si estos fotones están entrelazados, pueden compartir una propiedad, como su polarización, sin importar su distancia. Bell imaginó hacer experimentos con estos dos fotones por separado y comparar sus resultados para demostrar que estaban entrelazados.

Clauser puso en práctica la teoría de Bell en una época en la que hacer experimentos con fotones individuales era casi impensable. En 1972, sólo ocho años después del famoso experimento mental de Bell, Clauser demostró que la luz podía estar efectivamente entrelazada. Pero, aunque los resultados de Clauser eran innovadores, había algunas explicaciones alternativas y más exóticas para los resultados que obtuvo.

Aunque los resultados de Clauser eran innovadores, había algunas explicaciones alternativas y más exóticas para los resultados que obtuvo.

Si la luz no se comportaba exactamente como pensaban los físicos, quizá sus resultados pudieran explicarse sin el entrelazamiento. Estas explicaciones se conocen como lagunas en la prueba de Bell, y Aspect, uno de los premiados, fue el primero en desafiarla.

Aspect ideó un ingenioso experimento para descartar una de las lagunas potenciales más importantes de la prueba de Bell. Demostró que los fotones entrelazados en el experimento no se comunican entre sí a través de variables ocultas para decidir el resultado de la prueba de Bell. Esto significa que realmente están vinculados misteriosamente a través del entrelazamiento cuántico.

En la ciencia es increíblemente importante poner a prueba los conceptos que creemos correctos. Y pocos han desempeñado un papel más importante en ello que Aspect. La mecánica cuántica se ha puesto a prueba una y otra vez a lo largo del último siglo y ha salido indemne.

Tecnología cuántica

Llegados a este punto, podemos preguntarnos por qué importa el comportamiento del mundo microscópico o que los fotones puedan estar entrelazados. Aquí es donde realmente brilla la visión de Zeilinger.

A lo largo de la historia aprovechamos nuestros conocimientos de la mecánica clásica para construir máquinas, para hacer fábricas, lo que condujo a la revolución industrial. El conocimiento del comportamiento de la electrónica y los semiconductores ha impulsado la revolución digital.

Pero entender la mecánica cuántica nos permite explotarla para construir dispositivos capaces de hacer cosas nuevas. De hecho, muchos creen que impulsará la próxima revolución tecnológica.

El entrelazamiento cuántico puede aprovecharse en la informática para procesar la información de formas que antes no eran posibles. La detección de pequeños cambios en el entrelazamiento puede permitir a los sensores detectar cosas con mayor precisión que antes. Comunicarse con luz entrelazada también puede garantizar la seguridad, ya que las mediciones de los sistemas cuánticos pueden revelar la presencia del espía.

El trabajo de Zeilinger abrió el camino a la revolución tecnológica cuántica al demostrar que es posible enlazar una serie de sistemas entrelazados para construir el equivalente cuántico de una red. En 2022, estas aplicaciones de la mecánica cuántica no son ciencia ficción. Tenemos los primeros ordenadores cuánticos. El satélite Micius utiliza el entrelazamiento para permitir comunicaciones seguras en todo el mundo, y los sensores cuánticos se utilizan en aplicaciones que van desde las imágenes médicas hasta la detección de submarinos.

En definitiva, el jurado del Nobel 2022 ha reconocido la importancia de los fundamentos prácticos que producen, manipulan y prueban el entrelazamiento cuántico y la revolución que está ayudando a impulsar.

Me alegro de que este trío reciba el premio. En 2002, comencé un doctorado en la Universidad de Cambridge que se inspiró en su trabajo. El objetivo de mi proyecto era fabricar un sencillo dispositivo semiconductor para generar luz entrelazada.

Se trataba de simplificar en gran medida el equipo necesario para realizar experimentos cuánticos y permitir la construcción de dispositivos prácticos para aplicaciones del mundo real. Nuestro trabajo tuvo éxito y me asombra y emociona ver los saltos que se han dado en este campo desde entonces.

Robert Young, es profesor de Física y director del Lancaster Quantum Technology Centre, Lancaster University

Este artículo fue publicado ofiginalmente en The Conversation bajo licencia Creative Commons. Lee el artículo original.