NeoFronteras

El premio Nobel de Física va este año a parar a los que investigaron los fundamente de la Mecánica Cuántica.

En una época en la que no había supervisión de la calidad en las universidades, ni se fiscalizaba la labor de profesores e investigadores se produjo una revolución en la Física.

Con el cambio del siglo XIX al XX se empezó la transición de lo que había sido la Física Clásica a la Física Moderna. La Relatividad y la Física Cuántica cambiaron nuestra concepción de la Naturaleza en ese tiempo. Hacia finales de los años treinta casi todo el pescado estaba ya vendido.

Einstein, que con su explicación al efecto fotoeléctrico de 1905 contribuyó al nacimiento de la Física Cuántica, se sentía muy incómodo sobre cómo esta había evolucionado, pues parecía que no tenía ciertas características que apra él eran deseables. Hasta entonces se sostenía que toda teoría física debía ser «real». Esto es, que los objetos tienen propiedades definidas independientes de la observación, por lo que un gato será negro seguirá siendo negro aunque nadie le esté mirando. También se asumía que toda teoría física debía ser «local». Esto es, que los objetos solo pueden ser influenciados por su entorno y que cualquier influencia no puede viajar más rápido que la luz.

Pero no parecía que estas características se cumplieran a la vez en los sistemas cuánticos. Un montaje experimental que ponía esto en evidencia era cuando se enviaban dos partículas correlacionadas cuánticamente en direcciones opuestas. Estas partículas podrían ser, por ejemplo, electrones con una superposición de estados de spin o fotones en una superposición de estados de polarización. El caso es que, al cabo de un tiempo, una tal Alice efectúa una medición sobre una de ellas, lo que hace colapsar la función de onda de la partícula y el estado de la misma a un estado en concreto. Lo que ocurre es que la otra partícula, al estar correlacionada, también fija una valor para su estado de forma instantánea aunque haya millones de años luz entre medias. Si Bob hace esta medición y la envía el resultado a Alice (o viceversa) se puede comprobar que todo encaja.

Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen propusieron este experimento mental en su icónico artículo de 1935. Es lo que se llamó paradoja EPR y la intención era ridiculizar las implicaciones de la Mecánica Cuántica (MC) si esta se tomaba tal cual. Obviamente no hay violación de la causalidad relativista, pues no se puede transmitir información, pero, de todos modos, el experimento nos dice que hay que abandonar la localidad si queremos conservar el realismo.

Entonces, según la MC, la Naturaleza no es localmente real: las partículas carecen de propiedades como tener un spin en concreto antes de la medición y, aparentemente, se «comunican» entre sí sin importar la distancia que medie entre ellas.

Einstein creía que la MC no era una teoría final, sino que era una aproximación estadística a una teoría aún por descubrir de la cual no conocíamos todas sus variables, pues estas estarían ocultas.

Pero la MC funcionó muy bien a la hora de hacer cálculos y al final se adoptó la estrategia de «calcula y calla».

Desde alrededor de 1940 hasta 1990, el tema se trató a menudo como filosofía en el mejor de los casos. Muchas revistas científicas se negaron a publicar artículos sobre fundamentos cuánticos y, lo que es peor, los puestos académicos que permitían tales investigaciones eran casi imposibles de conseguir.

En ese tiempo hubo algunos resultados teóricos, pero los más importantes fueron a los que llegó John Stewart Bell en los años sesenta. Bell descubrió un teorema que sacó la cuestión de las variables ocultas del atolladero metafísico al terreno concreto de la experimentación. Gracias a sus «desigualdades» se podía diseñar un experimento de tipo EPR, hacer mediciones y concluir que o bien la MC es la última palabra y hay que abandonar el realismo o el localismo o bien hay una realidad subyacente a la que aún no hemos tenido acceso, una teoría de variables ocultas.

Las desigualdades de Bell ponen un límite a las correlaciones que se pueden observar en un sistema clásico y su violación es una predicción importante de la teoría cuántica, aunque lo quería demostrar Bell en un principio es que las variables ocultas existían.

Pues bien, los que investigadores que hicieron precisamente esto a lo largo de varias décadas fueron John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger. Esta es la razón por la que reciben el premio Nobel de este año. Trabajando de forma independiente, los tres galardonados realizaron experimentos clave que establecieron la propiedad cuántica del entrelazamiento y descartaron las variables ocultas. Hoy en día se trata de obtener aplicaciones prácticas de todo esto en el campo de la criptografía y en la computación cuánticas. Sin duda, el premio está bien merecido.

En 1967, John Clauser (Universidad de Columbia) encontró accidentalmente el artículo de Bell y quedó cautivado por la posibilidad de demostrar que las teorías de variables ocultas eran correctas. Clauser le escribió a Bell dos años después, preguntándole si alguien había realizado la prueba. La respuesta fue no, pues la carta de Clauser fue uno de los primeros comentarios que recibió Bell. Clauser y su estudiante de doctorado Stuart Freedman realizaron el primer experimento de este tipo usando el estado de polarización de fotones.

Concluyeron que no había variables ocultas (a su pesar), pero el resultado no fue concluyente, debido a la presencia de varias lagunas, la más preocupante fue la laguna de la localidad (si había algún tipo de comunicación entre los fotones).

Pero cerrar la laguna de la localidad es muy complicado. La configuración del detector debe cambiarse rápidamente mientras los fotones están viajando, lo que significa que es cuestión de nanosegundos.

En 1976 Alain Aspect propuso una forma de realizar este cambio ultrarrápido y su grupo publicó sus resultados experimentales en 1982. La conclusión era que las variables ocultas locales parecían extremadamente improbables.

Sin embargo, todavía quedaban otras lagunas. Incluso el experimento de Aspect no había descartado por completo los efectos locales porque se llevó a cabo sobre una distancia demasiado pequeña, de unos pocos metros.

Anton Zeilinger se lanzó a cerrar esas lagunas. En 1998, él y su equipo mejoraron el trabajo de Aspect al realizar una prueba de Bell en una distancia de casi medio kilómetro. Utilizaron dos generadores de números aleatorios cuánticos totalmente independientes para establecer las direcciones de las mediciones de fotones. Como resultado, ninguna señal que viajara más lento que la velocidad de la luz podría transferir información al otro lado antes de que se registrara ese fotón. Finalmente, en 2013, este grupo dio el siguiente paso lógico y abordó múltiples lagunas al mismo tiempo.

Además de confirmar las predicciones de la MC, estos experimentos sentaron las bases para el desarrollo de tecnologías cuánticas modernas.

Un requisito para crear un experimento que cerrara varias lagunas era encontrar un túnel de 60 metros perfectamente recto y desocupado con acceso a cables de fibra óptica y resultó que la mazmorra del palacio Hofburg de Viena era un sitio ideal. El grupo de Zeilinger publicó nuevos resultados en 2015 y eran similares a los de otros grupos: la MC es la descripción adecuada para el mundo subatómico y las variables ocultas no parecen que existieran.

La última laguna se cerró el 2017, un grupo dirigido por Kaiser y Zeilinger usó telescopios en las Islas Canarias para detectar luz de estrellas suficientemente separadas en el cielo como para que la luz de una no llegue a la otra durante cientos de años. La MC volvió a triunfar.

Zeilinger, que se mostró sorprendido por el premio, dijo que espera que el premio dé aliento a los jóvenes investigadores y que su consejo hacia ellos es que hagan lo que les parezca interesante y que no se preocupen demasiado por las posibles aplicaciones.

Copyleft: atribuir con enlace a https://neofronteras.com

Fuentes y referencias:
Web de los premios Nobel.
Dibujos: Academia Sueca.