NOBEL DE FISICA 2022

Los eternos candidatos al Premio Nobel de Física recibieron un muy merecido galardón. El francés Alain Aspect (75 años), Univ. Paris-Saclay y École Polytechnique (Francia), el estadounidense John F. Clauser (79 años), Univ. California en Berkeley (EEUU), y el austriaco Anton Zeilinger (77 años), Univ. Vienna (Austria) recibieron el galardón por sus experimentos con fotones entrelazados que mostraron la violación de las desigualdades de Bell y por ser los pioneros de la ciencia de la información cuántica.

La crítica de Einstein contra la interpretación no realista de la mecánica cuántica se sustanció en su famoso artículo EPR de 1935 (su artículo más citado), que llevó a John S. Bell a proponer en 1964 sus famosas desigualdades de Bell para una teoría clásica realista (que la física cuántica debía incumplir). Clauser realizó en 1972 el primer experimento que incumplía con dichas desigualdades (en su variante CHSH), pero tenía resquicios (loopholes). Aspect propuso en 1975 un experimento para evitarlos, que realizó con éxito en 1982, aunque aparecieron más resquicios. Zeilinger demostró el teletransporte cuántico en 1997 y ha realizado gran número de experimentos para eliminar todos los resquicios. Oficialmente todos fueron eliminados en el experimento de 2015 del grupo de Ronald Hanson (Univ. Delft, Países Bajos), que colocó a los tres pioneros en la antesala del Nobel. Hoy en día el entrelazamiento cuántico es una herramienta que todo el mundo usa en las ciencias de la información cuántica y de los ordenadores cuánticos.

Gracias al trabajo de pioneros como Clauser, Aspect y Zeilenger, hoy en día los estados entralazados de tipo Bell, CHSH y GHZ son usados por doquier en todos los laboratorios de física cuántica.

La incisiva mente de Einstein ideó un experimento mental con partículas entrelazadas para demostrar que la mecánica cuántica era una teoría no local que incumplía los principios de su teoría de la relatividad y, por tanto, era una teoría incompleta. El artículo de Einstein, Podolsky y Rosen de 1935 fue contestado de forma magistral por Bohr: no se debe usar una interpretación realista del experimento EPR, ya que la mecánica cuántica no requiere ninguna teoría clásica de variables ocultas subyacente para ser una teoría completa; sin dicha teoría la mecánica cuántica cumple con los principios de la relatividad sin ningún problema. Como, además, von Neumann había demostrado en su libro de fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica que dicha teoría clásica no existe, la mayoría de los físicos aceptó la respuesta de Bohr como obvia y el experimento EPR quedó en el olvido.

Bell descubrió un resquicio en la demostración de von Neumann: no era definitiva. Más aún, se dio cuenta de que nunca se podría demostrar matemáticamente que no existía una teoría clásica de variables ocultas. La única opción para convencer a todos los físicos era realizar experimentos que mostraran que la Naturaleza incumple las predicciones de una teoría clásica de variables ocultas, aunque cumple todas las predicciones cuánticas. El experimento EPR original usaba los operadores de posición y momento de una partícula, que satisfacen la relación de conmutación [x, p] = i ℏ, siendo casi imposible realizarlo en un laboratorio. Bohm propuso en 1951 una variante del experimento usando pares de partículas de espín 1/2 (como los electrones) entrelazadas, aprovechando que las componentes del espín no conmutan, [S_x, S_y] = i ℏ S_z. Bell decidió cambiar de tercio y proponer un experimento basado en una desigualdad que cumple toda teoría clásica, pero que incumplen las partículas entrelazadas máximamente en mecánica cuántica.

La desigualdad de Bell en su formulación original era casi imposible de implementar en un experimento en 1970, pues exige detectores de coincidencia ideales muy alejados de los disponibles en laboratorio. John Clauser no perdió la esperanza y en 1969, junto a sus colegas Horne, Shimony y Holt, descubrió una nueva desigualdad tipo Bell, la así llamada desigualdad CHSH, que facilitaba la demostración experimental al permitir el uso de detectores imperfectos. Sin entrar en los detalles, para una teoría clásica de variables ocultas el promedio de ciertas medidas del espín debe cumplir 〈S〉 < 2, cuando la mecánica cuántica predice 〈S〉 = 2 √2; la diferencia entre 2.82 y 2 es tan grande que podría ser observada incluso si se usan detectores de coincidencias imperfectos.

Estos experimentos hoy en día se realizan de forma cotidiana en todos los laboratorios de física cuántica del mundo, incluso delante de los estudiantes; el esquema experimental original (en la figura) parece de juguete. Pero en 1970 nadie sabía si el experimento se podría llevar a cabo con éxito; Clauser realizó un postdoctorado en el laboratorio de Townes (Premio Nobel de Física en 1964 por inventar el máser, antecedente del láser). Clauser convenció a Townes para realizar el experimento usando láseres junto a un estudiante de doctorado, Freedman.

El experimento fue todo un éxito y se publicó en la revista Physical Review Letters (siendo el resultado principal de la tesis doctoral de Freedman). La Naturaleza incumplía la desigualdad CHSH, como predice la mecánica cuántica, luego no podía existir una teoría de variables ocultas subyacente. Sin embargo, el resultado no convenció a los críticos, pues el pionero experimento presentaba muchos resquicios (loopholes). El más obvio era la localidad; en el experimento mental de EPR las partículas están separadas una distancia más grande que la que puede recorrer una señal luminosa en el tiempo que duran las medidas de los detectores. Para evitar este resquicio había que repetir el experimento separando los detectores una distancia suficientemente grande.

En 1976 Alain Aspect se propuso eliminar el resquicio de la localidad en el experimento de Clauser y Freedman para demostrar la no separabilidad cuántica. Hoy nos parece sencillo implementar su esquema experimental, pues basta una fuente de fotones entrelazados que se envía a dos esquemas ópticos idénticos, pero separados una gran distancia, cuyos resultados se envían a un detector de coincidencias. Pero para llevar a cabo esta idea se requerían nuevos instrumentos ópticos y muchas mejoras en las técnicas experimentales. Junto a varios colaboradores (Grangier, Roger, Dalibard, …) publicó el éxito del experimento en Physical Review Letters con detectores de coincidencias separados 18 nanosegundos en el tiempo, con una separación física de 6.5 metros en 1981 y de 13 metros en 1982 (en 18 ns la luz en el vacío solo puede recorrer 5.4 m).

En el experimento de Aspect se obtuvo un valor de S = 0.10 ± 0.02, a cinco sigmas (desviaciones típicas) del valor S = 0, límite superior de la predicción −1 ≤ S ≤ 0 para una teoría de variables ocultas. Cinco sigmas mostraban, fuera de toda duda, que la Naturaleza le daba la razón a Bohr.

En 1998, quince años más tarde, el grupo de Anton Zeilinger repitió el experimento de Aspect separando los detectores en 400 metros, con grandes mejoras técnicas y usando la desigualdad CHSH, alcanzando un valor de S = 2.73 ± 0.02, que está a más de 36 sigmas (desviaciones típicas) de la predicción S ≤ 2 para una teoría de variables ocultas. Hoy en día se alcanzan más de 50 sigmas en este tipo de experimentos en cualquier laboratorio de física cuántica (de hecho, ya nadie cuenta las sigmas). El entrelazamiento cuántico y los estados cuánticos de tipo Bell se han convertido en un recurso que usa de forma habitual todo el mundo que trabaja en ordenadores cuánticos, en cifrado cuántico y en las demás tecnologías de información cuántica. La futura internet cuántica permitirá que todos los dispositivos móviles usen técnicas de cifrado de información basadas en tecnologías cuánticas (gracias a futuros dispositivos cuánticos de propósito específico).

La información de la Academia Sueca sobre el Nobel para Anton Zeilinger también destaca su implementación del protocolo de teletransporte cuántico (que publicó en Nature en 1997). El llamado teorema de no clonación impide copiar el estado cuántico de un sistema en otro sistema; pero Bennett y varios colegas publicaron en 1993 un protocolo cuántico inspirado en el experimento EPR que usaba el entrelazamiento cuántico para copiar el estado de un sistema en otro, aunque destruyendo el estado del sistema original; bautizaron dicho protocolo con el curioso nombre de teletransporte cuántico (nombre inspirado en Star Trek, aunque el protocolo no tiene que ver con el teletransporte de personas que se usaba en esta serie para reducir los costes de producción). No comentaré más sobre este protocolo, que se puede implementar en un sencillo programa cuántico para ser ejecutado en un ordenador cuántico con solo cuatro cúbits. Solo destacaré que se requiere la transferencia de información clásica para ejecutar dicho protocolo, por lo que no incumple con los principios de la relatividad de Einstein.

En un golpe de genialidad, en 2018, Zeilinger decidió usar fotones emitidos hace unos 7800 millones de años por cuásares; salvo quienes defienden el superdeterminismo (que todo resultado experimental está determinado de forma unívoca desde los primeros instantes del universo), nadie puede concebir que la elección del dispositivo de medida experimental usando fotones emitidos por cuásares pueda presentar ningún sesgo de elección que relacione el momento presente y su momento de emisión (a todos los efectos dicha elección es completamente aleatoria). Quizás alguien crea que el experimento de 2018 fue la chispa que encendió la mecha para este Premio Nobel; sin embargo, sinceramente, creo que este galardón podría haber otorgado a Zeilinger hace veinte años (y a Aspect y Clauser hace más de treinta años). Pero bienvenido sea en el centenario del Premio Nobel a Niels Bohr (en 1922 también se concedió el galardón a Einstein, aunque con fecha de 1921, año en que había quedado vacante).

En resumen, un Premio Nobel muy merecido y muy esperado.