Premios Nobel 2022: el entrelazamiento cuántico 🌀

Esta entrada está dedicada a los ganadores del Premio Nobel de Física 2022: Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger, tres físicos especializados en mecánica cuántica que han llevado a cabo una serie de experimentos que han revolucionado el mundo de la computación cuántica y la encriptación de información. 

El pasado 4 de Octubre, la Real Academia de las Ciencias de Suecia anunciaba los ganadores de tan afamado premio "por sus experimentos con fotones entrelazados que violan de las desigualdades de Bell y que supone una gran avance en la computación cuántica". Antes de explicar el trabajo de Aspect, Clauser y Zeilinger, conviene que entendamos primero qué es el entrelazamiento cuántico y por qué es tan importante en el mundo cuántico.

El entrelazamiento cuántico

El descubrimiento de la propiedad del entrelazamiento se remonta a principios del siglo XX, cuando se comenzaron a gestar las teorías de relatividad y mecánica cuántica. Si bien es cierto que la comunidad científica coincidía en que ambas teorías eran grandes hitos científicos, había algunos físicos que se oponían al carácter contradictorio y anti-intuitivo de la cuántica. Algunos de ellos fueron Einstein, Podolsky y Rosen. Estos tres físicos propusieron la famosa paradoja EPR que ponía de manifiesto la incompletitud de la mecánica cuántica. 

Heissenberg acuñó el término de "entrelazamiento cuántico" para hacer referencia al siguiente fenómeno cuántico: Supóngase que se disponen de dos partículas que en cierto instante interaccionan entre sí (bien porque provengan de la misma fuente u otro tipo de interacción). Decimos que esas partículas están entrelazadas si, aún separándolas espacialmente, todo lo que le ocurra a una partícula lo sufrirá la otra. Es decir, ambas partículas permanecen en un único estado cuántico y las perturbaciones de una afectan a la otra. De aquí se deduce además algo más profundo, las funciones de onda de dichas partículas (que ya introducimos en entradas anteriores) son idénticas e indistinguibles, porque incluso la acción de medir una partícula influye en la otra. Este fenómeno sugiere una especie de conexión existente entre ambas partículas que se propaga instantáneamente, es decir, podría propagarse a una velocidad mayor a la de la luz (que esto, como sabemos, es imposible porque entra en contradicción con la velocidad de la luz).  

Esto que acabamos de describir se conocen como los problemas de no localidad y de medición, y estos aspectos fueron los que, de hecho, criticaba la paradoja EPR, que es esencialmente el planteamiento descrito arriba. A mediados del siglo XX, John Bell logró sintetizar este fenómeno en un conjunto de desigualdades matemáticas que tenían en cuenta los críticas de la paradoja EPR, es decir, suponía cierto el principio de localidad en la mecánica cuántica y que esta era determinista. Por lo tanto, si EPR tenía razón, estas desigualdades se cumplirían, mientras que si la mecánica cuántica era completa, esas desigualdades no serían ciertas.

John Bell. En la pizarra, esbozos del teorema que lleva su nombre. Fuente: Tom's Hardware

 El Premio Nobel de Física 2022 

 Y después de explicar este fenómeno cuántico seguramente te preguntes qué implicaciones tiene en la práctica. ¿Es sólo algo de interés teórico o de verdad tiene alguna aplicación? La respuesta es obviamente lo segundo. 

Durante los últimos años del siglo XX y durante nuestro siglo se ha desarollado la computación cuántica, una nueva manera de entender la computación clásica donde la unidad mínima son los qubits cuánticos que pueden tener valores distintos simultáneamente. Esto supone la parición de numerosas puertas lógicas y por lo tanto, nuevos algoritmos que serían capaces de resolver problemas considerados irresolubles en un futuro. 

De izda a dcha, Aspect, Clauser y Zeilinger. Fuente: Real Academia de las Ciencias de Suecia 

Pero, ¿en qué consisten realmente las aportaciones de Aspect, Clauser y Zeilinger? 

El primer paso para avanzar en la teoría cuántica era demostrar la falsedad de las desigualdades de Bell, un aspecto del que se encargó John Clauser. Alain Aspect se valió de la demostración de su colega para idear un experimento en el que ponía a prueba la medición de dos partículas entrelazadas, cambiando la configuración de medición una vez las partículas estuviesen alejadas. Los experimentos culminan con Anton Zeilinger demostrando el fenómeno de teletransportación cuántica, que sucede cuando se intercambian los estados cuánticos entre las partículas una vez separadas en el espacio. 

Sin duda los próximos años serán claves en la historia de la física, no sólo en descubrimientos y planteamiento de teorías, sino en desarrollo de una tecnología cuántica sin precedentes que cambiarán radicalmente el futuro de la humanidad. Con estos avances se abren las puertas a una nueva era de transmisión de información y tecnología de la detección. Si quieres leer más acerca de los experimentos puedes encontrar el paper oficial del Premio Nobel aquí!

Espero que te haya gustado la entrada! Gracias una semana más por estar ahí y leerme 😊😊😊

Referencias: 

nobelprize.org

BBC

National Geographic

IFT