El Premio Nobel de Física de este año 2022 fue otorgado en conjunto al francés Alain Aspect, al estadounidense John Clauser y al austriaco Anton Zeilinger, “[p]or los experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pionero en la ciencia de la información cuántica”. Desde ese momento diversos medios, tanto noticiosos como de divulgación científica han comunicado de variadas maneras lo que significa este galardón, y qué impacto tienen los hallazgos del trío de investigadores.

En lo que sigue, The Peer Review entrevista a Joel Saavedra Alvear, Profesor del Instituto de Física de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, para poder ahondar en el tema.

"En esencia a través de sus estudios y experimentos los laureados han probado una vez más la validez de la mecánica cuántica y han demostrado experimentalmente la existencia del llamado entrelazamiento cuántico".

- TPR: ¿En qué consiste el hallazgo o los avances de Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger?

- Joel Saavedra: “Los estudios de Aspect, Clauser y Zellinger se enfocan en los fundamentos de la mecánica cuántica, la teoría que describe al mundo microscópico que corresponde al conjunto de ideas más exitoso construido por la humanidad y a la vez a la teoría más exitosa de la física verificada experimentalmente a través de diversos experimentos con una precisión inalcanzable por ninguna otra teoría”.

“No existe otra teoría que haya cambiado tan drásticamente y profundamente la forma y el entendimiento de la física como lo ha hecho la mecánica cuántica. En esencia a través de sus estudios y experimentos los laureados han probado una vez más la validez de la mecánica cuántica y han demostrado experimentalmente la existencia del llamado entrelazamiento cuántico, efecto predicho por Erwin Schrödinger y reforzado por Einstein, Podolsky y Rosen (1934). Esencialmente este fenómeno de naturaleza 100% cuántica, predicho inicialmente para refutar aquella naciente y exitosa teoría, dice relación de cómo las partículas se entrelazan en un estado cuántico que no puede definirse como un estado individual y se debe considerar como un sistema con una única función de onda para toda el sistema”.

“Función de onda que contiene toda la información del sistema y en este caso del entrelazamiento cuántico del sistema. Las consecuencias de este descubrimiento son tremendas en el campo de los sistemas de información cuántica y con ello cada vez estamos más cerca del desarrollo de la computación cuántica. La mecánica cuántica nos seguirá sorprendiendo y a la vez revolucionando el campo de las aplicaciones tecnológicas”.

- TPR: ¿Puede explicarnos en qué consiste la Paradoja EPR (siglas de los apellidos de Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen) que está relacionada y a la base de las indagaciones de Aspect, Clauser y Zeilinger?

- Joel Saavedra: “La paradoja de EPR se propone como un experimento mental para afirmar la que la emergente mecánica cuántica era una teoría incompleta o aproximada de la naturaleza, a pesar de sus éxitos experimentales y sus continuas verificaciones experimentales de predicciones teóricas. La paradoja se basa esencialmente en preparar en un tiempo pasado un estado entrelazado de partículas cuánticas, posteriormente midiendo alguna propiedad física de una de las partículas uno sería capar de inferir, sin medir, el resultado de esa propiedad física de la otra partícula”.

"Como la teoría cuántica es incompleta es necesario agregar a nuestra descripción un conjunto de variables ocultas y en cuanto sus valores se lleguen a conocer se podrá definir una trayectoria que nos permitirá restaurar el determinismo y realismo".

“Por ejemplo si consideramos que la propiedad física es el spin y la medida de una de las partículas nos entrega el valor 1 necesariamente la otra partícula debe estar tener un valor de spin -1. Uno podría pensar como el juego de las bolitas de cristal cuántico, si el juego de bolitas consiste de bolitas negras y blancas colocadas en una bolsa de genero que no nos permita ver el color de cada una de ellas, el estado cuántico entrelazado inicial. Luego hacemos que Alice y Bob saquen una bolita cada uno sin ver el color y mandamos a Alice a Arica y a Bob a Punta Arenas y hacemos que Alice vea el color de su bolita cuando esta en Arica inmediatamente Bob sabe en Punta Arenas que su bolita es de color negro.  Este resultado violaría tanto la causalidad como la localización de la física clásica”.

- TPR: ¿Hay alguna razón de porque se hayan elegido para estos experimentos mentales los nombres de Alice y Bob?

- Joel Saavedra: “Alice y Bob entran en escena por allá por 1978 en un artículo de criptografía de los autores Ron Rivest Adir Shamir y Leonard Adleman, originalmente Alice y Bob son participantes de un sistema que intercambia información. Alice es quien envía la información y Bob es quien la recibe, el uso de estos nombres se debe principalmente para evitar que la simbología de las letras A, B, X, e Y por ejemplo se pueda confundir con las variables de una función que describen un objeto físico”.

“Entiendo que los nombres se eligieron por ser las iniciales de las dos primeras letras del alfabeto que además corresponden a las iniciales de dichos nombres, desde su nacimiento y uso nos permite representar de forma ordenada al emisor y receptor de un sistema de comunicación. Posteriormente su uso se extendió por prácticamente todas las ciencias y en el caso de la mecánica cuántica no solo representan al emisor y receptor si no más bien son interpretados como dos observadores del mundo microscópico, los cuales a través de distintas medidas pueden testear los fundamentos y aplicaciones por ejemplo de la Mecánica Cuántica. Así estos dos amigos imaginarios ya de 44 años de edad nos permiten hacer experimentos mentales y crear ejemplos, explicaciones en una amplia variedad del áreas del conocimientos dentro de las más usadas están la criptografía, la teoría de juegos y claramente la física, entre otras”.

- TPR: ¿Qué son las “variables ocultas” que a menudo se mencionan relacionadas con estas investigaciones?

- Joel Saavedra: “Las variables ocultas se introducen para poder explicar la evidente paradoja de los resultados del experimento mental de Einstein, Podolsky y Rosen que golpean al corazón mismo de la mecánica cuántica,  objetando el concepto de medida y por tanto la interpretación de Copenhague de clave probabilística de la mecánica cuántica. Entonces como la teoría cuántica es incompleta es necesario agregar a nuestra descripción un conjunto de variables ocultas y en cuanto sus valores se lleguen a conocer se podrá definir una trayectoria que nos permitirá restaurar el determinismo y realismo tan bien conocido en el mundo de la física clásica”.

"Entonces si la teoría cuántica, como asegura Einstein era incompleta las desigualdades de Bell debieran ser ciertas y la interpretación de las variables ocultas es la correcta. Por tanto podríamos dar tranquilidad a Albert Einstein y asegurar que Dios no juega a los dados con el universo”.

- TPR: ¿Qué papel jugaron en este desarrollo del conocimiento humano John von Neumann y Grete Hermann?

- Joel Saavedra: “Von Neumann es uno de los matemáticos mas famosos del siglo XX que demostró tempranamente un teorema que afirmaba que la teoría cuántica no puede ser derivada por la aproximación estadística de una teoría determinista como la mecánica clásica es decir un teorema que descartaba el uso de las variables ocultas. Teorema que lamentablemente contenía un error lógico y que luego de tres años de publicar este resultada la joven profesora de matemáticas Grete Hermann refutó los resultados de Von Neumann, resultado que quedo en el baúl del olvido por al menos 30 años hasta que John Bell redescubrió este resultado de forma independiente”.

- TPR: ¿Qué son las Desigualdades de Bell?

- Joel Saavedra: “Bell basado en el trabajo del año 1952 de David Bohm, “Una sugerente interpretación de la teoría cuántica en términos de variables “ocultas”” vuelve a colocar en la retina de la comunidad científica las variables ocultas y la búsqueda de una nueva interpretación de la mecánica cuántica colocando una vez más en duda sus fundaciones.  Para esto propuso matemáticamente la forma de verificar la paradoja de EPR y consiguió resumir su trabajo en una serie de desigualdades que se basaban en el uso y existencia de las variables ocultas y por tanto todo proceso de medición de la mecánica cuántica debiera obedecer el determinismo clásico. Entonces si la teoría cuántica, como asegura Einstein era incompleta las desigualdades de Bell debieran ser ciertas y la interpretación de las variables ocultas es la correcta. Por tanto podríamos dar tranquilidad a Albert Einstein y asegurar que Dios no juega a los dados con el universo”.

- TPR: ¿Puede usted profundizar en el concepto de “entrelazamiento cuántico” (quantum entanglement) y también explicarnos cómo este se puede producir experimentalmente?

- Joel Saavedra: “El entrelazamiento cuántico nos enseña que dos partículas que se preparan en un estado cuántico en un tiempo pasado y que son separadas una cierta distancia aún permanecen en contacto sin que exista contacto directo entre ellas a la hora de realizar el experimento. Esto nos dice que existe una acción a distancia en la mecánica cuántica y que podría existir una violación de la causalidad, Einstein nos enseño con su teoría de la relatividad que nada puede viajar a una velocidad mayor que la velocidad de la luz y por tanto el entrelazamiento cuántico y fantasmagórica acción a distancia estaría violando el principio de causalidad el efecto no puede ocurrir antes de la causa”.

"En Chile, no estamos lejos de estos descubrimientos, existen grupos de óptica cuántica que trabajan experimentalmente y teóricamente en la PUC, UDEC y USACH desde hace muchos años”.

“Al mismo tiempo este fenómeno viola  el principio de causalidad, los objetos son influenciados localmente por su vecindad y no con una acción a distancia. En resumen, ni lo uno ni lo otro el entrelazamiento de dos partículas es de origen cuántico sin parangón en el mundo clásico, debemos acostumbrarnos a este realismo “mágico” de la mecánica cuántica”.

“Por ejemplo, el experimento de dos partículas entrelazadas separadas por 1.200 km realizado en China, se realiza desde un satélite  a tres estaciones en tierra donde se  encuentra que, a pesar de la distancia, las partículas siguen teniendo la relación cuántica. Para esto desde el satélite Micius, los científicos chinos usan un haz de láser que se divide en dos estados de luz polarizada diferentes del haz inicial. De estos dos haces, uno se usa para transmitir fotones entrelazados y el otro para recepcionar los fotones. Así se logra establecer en dos de las estaciones terrestres el entrelazamiento de dos fotones separados por 1.200 km, la distancia que existe entre dos de las estaciones más alejadas, y con un sofisticado equipo experimental se corre el test de Bell concluyendo que el entrelazamiento cuántico es una realidad a pesar de la distancia que separa a ambos fotones”.

- TPR: ¿Cómo fue el desarrollo de las pruebas realizadas que van desde distancias de decenas de metros hasta miles de kilómetros?

- Joel Saavedra: “Lamentablemente no soy físico experimental y desconozco los detalles experimentales al respecto, pero si puedo decir que los primeros experimentos respecto del entrelazamiento cuántico y los fundamentos de la mecánica cuántica fueron realizados por John Clauser a finales de los 60`s, por Alain Aspect en los años 80  y una larga serie de experimentos desde 1977 por Anton Zeilinger, los cuales han demostrado la realidad del entrelazamiento cuántico y lo que hoy se conoce como teleportación cuántica. En Chile, no estamos lejos de estos descubrimientos, existen grupos de óptica cuántica que trabajan experimentalmente y teóricamente en la PUC, UDEC y USACH desde hace muchos años”.

- TPR: Finalmente, aunque no en último lugar, se ha señalado en diversos medios de divulgación científica que la “información cuántica” tiene aplicaciones tecnológicas importantísimas en particular en el campo de la computación. ¿Puede explicarnos en qué consistirían dichas aplicaciones?

- Joel Saavedra: “Brevemente el campo de la computación cuántica se vale de tres fenómenos cuánticos, el entrelazamiento que hemos descrito en esta nota, la superposición de estados y la interferencia cuántica. Cambiaríamos la noción básica del bit usando en computación clásica por la de qbit (el bit cuántico) esto ya permitirá una mayor capacidad de almacenaje y la vez se podrán hacer ciertos procesos mucho más rápido que un computador ordinario. Sin embargo de necesita mucho más y trabajo al respecto antes de que la computación cuántica sea una realidad y espero sinceramente que en nuestro país se pueda desarrollar esta ciencia de frontera con nuestra capacidades para ellos ciertamente necesitamos una mayor inversión en ciencia y tecnología. Ya es momento de dejar de pensar la investigación como un gasto y de una vez por todas decir que el presupuesto de ciencias es una inversión de futuro y que va en directo beneficio del desarrollo de nuestro país”.