Un principio fundamental de esta teoría es la superposición cuántica, por el que una o varias partículas en un estado de superposición no toman ningún valor concreto para sus parámetros, sino que se mantienen en un estado de “superposición” entre todos los posibles valores. La función de onda describe este estado y nos sirve para calcular probabilidades de obtener ciertos valores cuando realizamos una medida. Todo ello significa que nunca se sabe exactamente dónde se encuentra un electrón en un átomo y que el estado cuántico de un electrón describe todos los lugares donde puede estar situado, junto con las probabilidades de encontrar el electrón en esos lugares.

En 1935, Einstein, junto con Podolsky y Rosen, descubrieron que cuando dos partículas están fuertemente correlacionadas, pierden sus estados cuánticos individuales y, en cambio, comparten un solo estado unificado. Además, la correlación parece instantánea: una vez que se tiene conocimiento de un estado cuántico, automáticamente se conoce el estado cuántico de cualquier partícula entrelazada. Este descubrimiento dejó perpleja a la comunidad científica, pero mientras Einstein consideró imposible tal comportamiento y se refirió a él como una “acción espeluznante a distancia”[2], Schrödinger lo bautizó con el nombre con que se le conoce (entrelazamiento cuántico) y lo definió como  el rasgo más importante de la mecánica cuántica[3].

Einstein consideraba que las cosas son como son y tienen unas propiedades determinadas, independientemente de que las midamos o no, idea que conocemos como realismo. Y, además, que los sucesos se producen en un lugar determinado y sus consecuencias viajan por el resto del universo pasando por todos los puntos intermedios, idea que denominamos localismo. Esto lleva a predicciones experimentales en conflicto con la mecánica cuántica, que establece que el acto mismo de medir una partícula cambia las propiedades medidas y que este cambio ocurre más rápido que la luz. Esta contradicción la resolvió Einstein proponiendo que era necesaria una teoría más completa que tuviese en cuenta “variables ocultas” que la cuántica no consideraba, y con ello las probabilidades se desvanecerían y podríamos saber cómo son las cosas de verdad.

John Bell establece un arbitraje entre teorías

Einstein plasmó sus ideas en el célebre artículo de 1935 Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)[4], que cuestiona la integridad de la teoría cuántica como teoría física. La autoridad científica de Einstein y la corriente antifilosófica que comenzó a imperar en el período de la posguerra impidió mayores avances en este terreno durante 30 años[5]. (ver más).

Pero John Bell investigó la teoría cuántica con mayor profundidad y estableció lo que la teoría puede decirnos sobre la naturaleza fundamental del mundo físico. Constituyó una sorpresa en 1964 que este físico teórico del CERN demostrara que el entrelazamiento cuántico es, de hecho, incompatible con la noción de localidad y realismo de EPR[6]. El Teorema de Bell establece un límite experimental que ninguna teoría real-localista puede rebasar y, puesto que ese límite se rebasa experimentalmente, ninguna teoría real-localista puede explicar esos experimentos. John Bell transformó la idea central del artículo de Einstein-Podolsky-Rosen, que no era más que una especulación filosófica, en una pregunta que podría responderse mediante una medición experimental concreta. Dio pie a una verificación experimental para la que en aquellos momentos no existían medios, pero que sí se pudo efectuar pocos años después.

La determinación de John Clauser

El trabajo de Bell abrió el camino para la confirmación, mediante la experimentación, de la naturaleza de las leyes que rigen la mecánica cuántica. Pero hay que recordar que en estos años sesenta el ambiente en la investigación era poco propicio a tratar estos temas y sólo la determinación de John Clauser siendo todavía recién graduado y hoy uno de los galardonados, permitió que esta experimentación se iniciara y alcanzase el éxito. Así recordaba Clauser recientemente estas circunstancias: “En las décadas de 1960 y 1970, las pruebas experimentales de la mecánica cuántica eran impopulares en Caltech, Columbia, UC Berkeley y otros lugares. Mi facultad en Columbia me dijo que probar la física cuántica iba a destruir mi carrera. Mientras realizaba el experimento Freedman-Clauser de 1972 en UC Berkeley, Richard Feynman de Caltech se sintió muy ofendido por mi esfuerzo impertinente y me dijo que equivalía a profesar una incredulidad en la física cuántica. ¡Arrogantemente insistió en que la mecánica cuántica es obviamente correcta y no necesita más pruebas!”[7]

Cuando se le preguntó a Clauser qué resultados esperaba de sus primeras pruebas afirmó que claramente esperaba verificar las tesis de Einstein y de hecho hasta realizó una apuesta. “Siguiendo la tradición de Richard Feynman y Kip Thorne [BS ’62] de Caltech, que hacían apuestas científicas, hice una apuesta con el físico cuántico Yakir Aharonov sobre el resultado del experimento Freedman-Clauser. Curiosamente, solo puso un dólar por mis dos. Perdí la apuesta y adjunté un billete de dos dólares y felicitaciones cuando le envié una preimpresión con nuestros resultados.”[8] La sentencia era firme, el entrelazamiento cuántico es una realidad de nuestro universo.

Lo que premia la Real Academia Sueca de Ciencias

John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger son tres investigadores que trabajando de forma independiente han dedicado sus vidas a la investigación actuando permanentemente en los límites de la comprensión del conocimiento, estudiando algunos de los mayores misterios de la física cuántica.

En 2010 ya recibieron conjuntamente el premio Wolf de Física “por sus contribuciones conceptuales y experimentales fundamentales a los fundamentos de la física cuántica, específicamente una serie cada vez más sofisticada de pruebas de las desigualdades de Bell, o extensiones de las mismas, utilizando estados cuánticos entrelazados”, de acuerdo con la mención del premio[9].

Los resultados de sus investigaciones han propiciado que la mecánica cuántica haya pasado del terreno de la investigación teórica al de los desarrollos tecnológicos y ahora vuelven a recibir conjuntamente el premio Nobel de Física “por experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica”, según la Real Academia[10].

El camino abierto a nuevas tecnologías

Una vez confirmada la naturaleza de la materia en sus niveles más elementales y sus reglas de comportamiento, resulta lógico tratar de utilizarlas para alcanzar nuevos resultados y por ello actualmente la investigación está volcada en obtener productos tecnológicos de muy diferente índole. Y, como ha afirmado Anton Zeilinger, cuando una tecnología es realmente nueva los resultados que cabe esperar son realmente impredecibles[11].

Los conocimientos de la mecánica cuántica hace tiempo que están siendo utilizados y contribuyendo al progreso tecnológico de nuestro mundo. La tecnología de la información actual está basada en la utilización de transistores y los semiconductores que los constituyen no se entenderían sin la mecánica cuántica. Así pues, los ordenadores o los teléfonos móviles no existirían sin este conocimiento. En Internet, el tiempo de la red se mantiene mediante relojes atómicos que utilizan la descripción cuántica de los átomos y las interacciones luz-materia para producir un «tick» extremadamente estable y repetible. Y tampoco el posicionamiento del GPS sería posible sin la intervención de los precisos relojes atómicos.

En estos momentos están en fase de desarrollo avanzado tres tecnologías que utilizan el entrelazamiento cuántico y que están llamadas a producir una auténtica revolución: la computación cuántica y la criptografía y transmisión de información a distancia, que realmente van unidas.

La computación cuántica[12] utiliza dos propiedades de los estados cuánticos, el entrelazamiento y la superposición, para realizar la computación. Mientras que en la computación clásica se utilizan bits que admiten las posiciones 0 y 1, en la computación cuántica se utilizan los estados cuánticos de partículas que llamamos qubits y que, en virtud de la superposición, pueden representar tanto el 0 como el 1 al mismo tiempo o cualquier valor intermedio. Por ello, mientras la potencia de una computadora clásica aumenta linealmente con el número de bits, el poder de las computadoras cuánticas crece exponencialmente en proporción a la cantidad de qubits conectados entre sí, y el entrelazamiento de qubits aumenta todavía más la capacidad para realizar operaciones. Investigadores de Alemania y Austria han conseguido, recientemente, fabricar un registro cuántico de 20 qubits que, cuando funcionan entrelazados, adquieren la capacidad de almacenar más de un millón de estados cuánticos[13].

El objetivo de la criptografía es la creación de un canal de transmisión seguro indescifrable entre dos partes. El entrelazamiento cuántico puede crear esto, ya que dos sistemas entrelazados significa que están correlacionados entre sí (cuando uno cambia, también lo hace el otro), y ningún tercero compartirá esta correlación. La criptografía cuántica también se beneficia de la no clonación, lo que significa que es imposible crear una copia idéntica de un estado cuántico desconocido, por lo que es imposible copiar datos codificados en un estado cuántico. El método más desarrollado para este tipo de encriptamiento es el QKD (Quantum Key Distribution), que ya se probó en Austria en 2004 llevando a cabo una transferencia bancaria[14].

El fundamento de la transmisión de información a distancia es el experimento realizado por primera vez en 1997 por Anton Zeilinger y sus colegas. Las partículas de un par entrelazado viajan en direcciones opuestas y una de ellas se encuentra con una tercera partícula de tal manera que se entrelazan, entrando en un nuevo estado compartido. La tercera partícula pierde su identidad, pero sus propiedades originales ahora se han transferido a la partícula solitaria del par original.  Esta forma de transferir un estado cuántico desconocido de una partícula a otra se denomina teletransportación cuántica. Como vemos, la teletransportación no implica movimiento o la traducción de las propias partículas, sino que la información sobre un estado cuántico se transporta a grandes distancias y se replica en otro lugar.

China afirma tener operacional un segundo satélite de comunicaciones encriptadas diseñado para realizar experimentos en tiempo real basados en el entrelazamiento cuántico entre fotones que están separados por miles de kilómetros[15].

La cara oculta de la naturaleza

El conocimiento de la naturaleza en sus dimensiones más elementales se  ha forjado en los últimos cien años, pasando por la contribución de una serie de figuras decisivas, que simplificando mucho podemos resumir en personajes como Heisenberg, Schrödinger o Einstein en la primera y determinante etapa de fundamentos teóricos y los galardonados en este año con el Nobel: Clauser, Aspect y Zeilinger, que han corroborado experimentalmente las cualidades cuánticas de la materia y han abierto el camino para importantes aplicaciones prácticas. Y en esta transición de los fundamentos teóricos a la experimentación práctica hay que destacar el trabajo de John Bell sobre el que han pivotado estas dos etapas.

Todo ello nos está reportando cambios tecnológicos de primera magnitud a la vez que nos deja perplejos al mostrarnos una desconocida cara de la naturaleza. Brian Greene lo ha expresado así: “Solíamos pensar que una propiedad básica del espacio es que separa y distingue un objeto de otro. Pero ahora vemos que la mecánica cuántica desafía radicalmente este punto de vista. Dos cosas pueden estar separadas por una enorme cantidad de espacio y, sin embargo, no tener una existencia totalmente independiente. Una conexión cuántica puede unirlos, haciendo que las propiedades de cada uno dependan de las propiedades del otro. El espacio no distingue tales objetos enredados. El espacio no puede superar su interconexión. El espacio, incluso una gran cantidad de espacio no debilita su interdependencia mecánica cuántica.”[16]

 

Manuel Ribes .Instituto Ciencias de la Vida

Observatorio de Bioética. Universidad Católica de Valencia

 

[1] University of California, San Diego Physics 1C Lecture 28C

https://courses.physics.ucsd.edu/2011/Fall/physics1c/Lectures/F11Physics1CLec28C.pdf

[2]  En una carta a Max Born en 1947, Einstein dijo sobre el enfoque estadístico de la mecánica cuántica, que atribuyó a Born: “No puedo creer seriamente en él porque la teoría no puede reconciliarse con la idea de que la física debería representar una realidad en el tiempo y el espacio, “libre de acción espeluznante a distancia” (la frase real utilizada por Einstein era alemana, “spukhafte Fernwirkung”. Spooky, o fantasmal, es una traducción razonable, aunque spooky no era un término de uso común en inglés en 1947). What is the source of Einstein’s quote «spooky action at a distance»?

[3] Die Naturwissenschaften 1935. Volume 23, Issue 48. The Present Status of Quantum Mechanics By E. Schrödinger, Oxford. (traducción al inglés del artículo original Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik).

[4] A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? Physical Review 47 (1935)  https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.47.777

[5]  Ver con más detalle en M.Ribes. No hay ciencia sin filosofía Observatorio Bioética UCV  Marzo 2022  https://www.observatoriobioetica.org/2022/03/no-hay-ciencia-sin-filosofia/38383

[6]  J.S. Bell On the Einstein Podolsky Rosen Paradox Physics Vol. 1, No. 3, pp. 195-290, 1964  https://cds.cern.ch/record/111654/files/vol1p195-200_001.pdf

[7] Whitney Clavin Proving that Quantum Entanglement is Real  A Q&A with Caltech alumnus John Clauser on his first experimental proof of quantum entanglement Septiembre 2022  CALTECH https://www.caltech.edu/about/news/proving-that-quantum-entanglement-is-real

[8] Ibid.

[9] 2010 Wolf Prize Winners Announced | Business | Feb 2010 | Photonics.com

[10] The Nobel Prize in Physics 2022 The Royal Swedish Academy of Sciences PRESS RELEASE 4 October 2022

[11] Discover Interview: Anton Zeilinger Dangled From Windows, Teleported Photons, and Taught the Dalai Lama Discover magazine  Aug 2011

[12] Ver con más detalle en M. Ribes Ordenador cuántico, la revolución anunciada  Observatorio Bioética UCV  Dic. 2021 https://www.observatoriobioetica.org/2020/12/ordenador-cuantico-la-revolucion-anunciada/34838

[13]  Nicolai Friis et al.  Observation of Entangled States of a Fully Controlled 20-Qubit System  Arxiv Apr. 2018      https://arxiv.org/pdf/1711.11092.pdf

[14] Will Knight Entangled photons secure money transfer | New Scientist  April 2004     https://www.newscientist.com/article/dn4914-entangled-photons-secure-money-transfer/

[15]  China’s new quantum satellite now operational China.org.cn  July 29, 2022

[16] Brian R. Greene The fabric of the cosmos : space, time, and the texture of reality  KNOPF. 2005   ISBN 0-375-41288-3