El Premio Nobel de Física 2022 reconoció a tres científicos que hicieron contribuciones innovadoras a la comprensión de uno de los fenómenos naturales más misteriosos:el entrelazamiento cuántico.
En los términos más simples, el entrelazamiento cuántico significa que aspectos de una partícula de un par entrelazado dependen de aspectos de la otra partícula, sin importar qué tan lejos estén o qué haya entre ellas. Estas partículas podrían ser, por ejemplo, electrones o fotones, y un aspecto podría ser el estado en el que se encuentra, como por ejemplo si está "girando" en una dirección u otra.
Lo extraño del entrelazamiento cuántico es que cuando se mide algo sobre una partícula en un par entrelazado, inmediatamente se sabe algo sobre la otra partícula, incluso si están separadas por millones de años luz. Esta extraña conexión entre las dos partículas es instantánea y aparentemente rompe una ley fundamental del universo. Albert Einstein llamó al fenómeno "acción espeluznante a distancia".
Después de pasar la mayor parte de dos décadas realizando experimentos basados en la mecánica cuántica, he llegado a aceptar su extrañeza. Gracias a instrumentos cada vez más precisos y fiables y al trabajo de los ganadores del Nobel de este año, Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger, los físicos ahora integran los fenómenos cuánticos en su conocimiento del mundo con un grado excepcional de certeza.
Sin embargo, incluso hasta la década de 1970, los investigadores todavía estaban divididos sobre si el entrelazamiento cuántico era un fenómeno real. Y por buenas razones:¿quién se atrevería a contradecir al gran Einstein, que él mismo lo dudaba? Fue necesario el desarrollo de nueva tecnología experimental e investigadores audaces para finalmente resolver este misterio.
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Para comprender verdaderamente lo espeluznante del entrelazamiento cuántico, es importante comprender primero la superposición cuántica. La superposición cuántica es la idea de que las partículas existen en múltiples estados a la vez. Cuando se realiza una medición, es como si la partícula seleccionara uno de los estados en la superposición.
Por ejemplo, muchas partículas tienen un atributo llamado espín que se mide como "arriba" o "abajo" para una determinada orientación del analizador. Pero hasta que se mide el giro de una partícula, ésta existe simultáneamente en una superposición de giro ascendente y descendente.
Hay una probabilidad asociada a cada estado y es posible predecir el resultado promedio a partir de muchas mediciones. La probabilidad de que una sola medición suba o baje depende de estas probabilidades, pero es en sí misma impredecible.
Aunque es muy extraño, las matemáticas y una gran cantidad de experimentos han demostrado que la mecánica cuántica describe correctamente la realidad física.
Lo espeluznante del entrelazamiento cuántico surge de la realidad de la superposición cuántica, y estaba claro para los padres fundadores de la mecánica cuántica que desarrollaron la teoría en las décadas de 1920 y 1930.
Para crear partículas entrelazadas, esencialmente se divide un sistema en dos, donde se conoce la suma de las partes. Por ejemplo, puedes dividir una partícula con espín cero en dos partículas que necesariamente tendrán espines opuestos para que su suma sea cero.
En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen publicaron un artículo que describe un experimento mental diseñado para ilustrar un aparente absurdo del entrelazamiento cuántico que desafiaba una ley fundamental del universo.
Una versión simplificada de este experimento mental, atribuida a David Bohm, considera la desintegración de una partícula llamada mesón pi. Cuando esta partícula se desintegra, produce un electrón y un positrón que tienen espín opuesto y se alejan uno del otro. Por lo tanto, si se mide que el espín del electrón es hacia arriba, entonces el espín medido del positrón sólo podría ser hacia abajo, y viceversa. Esto es cierto incluso si las partículas están a miles de millones de kilómetros de distancia.
Esto estaría bien si la medición del espín del electrón fuera siempre alta y la medida del espín del positrón fuera siempre baja. Pero debido a la mecánica cuántica, el giro de cada partícula está en parte hacia arriba y en parte hacia abajo hasta que se mide. Sólo cuando se produce la medición el estado cuántico del espín se "colapsa" hacia arriba o hacia abajo, colapsando instantáneamente la otra partícula en el espín opuesto. Esto parece sugerir que las partículas se comunican entre sí a través de algún medio que se mueve más rápido que la velocidad de la luz. Pero según las leyes de la física, nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. ¿Seguramente el estado medido de una partícula no puede determinar instantáneamente el estado de otra partícula en el otro extremo del universo?
Los físicos, incluido Einstein, propusieron varias interpretaciones alternativas del entrelazamiento cuántico en la década de 1930. Teorizaron que había alguna propiedad desconocida, denominada variable oculta, que determinaba el estado de una partícula antes de la medición. Pero en ese momento, los físicos no tenían la tecnología ni una definición de una medición clara que pudiera probar si era necesario modificar la teoría cuántica para incluir variables ocultas.
Hubo que esperar hasta la década de 1960 para que hubiera pistas sobre una respuesta. John Bell, un brillante físico irlandés que no vivió para recibir el Premio Nobel, ideó un plan para comprobar si la noción de variables ocultas tenía sentido.
Bell produjo una ecuación ahora conocida como desigualdad de Bell que siempre es correcta (y sólo correcta) para las teorías de variables ocultas, y no siempre para la mecánica cuántica. Por lo tanto, si se descubre que la ecuación de Bell no se cumple en un experimento del mundo real, las teorías locales de variables ocultas pueden descartarse como explicación del entrelazamiento cuántico.
Los experimentos de los premios Nobel de 2022, en particular los de Alain Aspect, fueron las primeras pruebas de la desigualdad de Bell. Los experimentos utilizaron fotones entrelazados, en lugar de pares de un electrón y un positrón, como en muchos experimentos mentales. Los resultados descartaron de manera concluyente la existencia de variables ocultas, un atributo misterioso que predeterminaría los estados de las partículas entrelazadas. En conjunto, estos y muchos experimentos posteriores han reivindicado la mecánica cuántica. Los objetos pueden correlacionarse a grandes distancias de maneras que la física anterior a la mecánica cuántica no podía explicar.
Es importante destacar que tampoco hay conflicto con la relatividad especial, que prohíbe la comunicación más rápida que la luz. El hecho de que las mediciones a grandes distancias estén correlacionadas no implica que la información se transmita entre las partículas. Dos partes alejadas que realizan mediciones de partículas entrelazadas no pueden utilizar el fenómeno para transmitir información más rápido que la velocidad de la luz.
Hoy en día, los físicos continúan investigando el entrelazamiento cuántico e investigan posibles aplicaciones prácticas. Aunque la mecánica cuántica puede predecir la probabilidad de una medición con una precisión increíble, muchos investigadores se muestran escépticos en cuanto a que proporcione una descripción completa de la realidad. Sin embargo, una cosa es segura. Queda mucho por decir sobre el misterioso mundo de la mecánica cuántica.
Andreas Müller es profesor asociado de física en la Universidad del Sur de Florida. Recibe financiación de la Fundación Nacional de Ciencias.
Este artículo se republica desde La conversación bajo una licencia Creative Commons. Puedes encontrar el artículo original aquí.
