Columna de Hanne Van Den Bosch: “Entrelazamiento enigmático”

Para contar la historia del Premio Nobel de Física 2022, hay que retroceder a los orígenes de lo que hoy se conoce como mecánica cuántica. Experimentos al final del siglo XIX hicieron posible ver de más cerca los átomos que constituyen todo lo que nos rodea. Se observó que su comportamiento no está bien descrito por la teoría de Newton sobre el movimiento de objetos, ni por la de Maxwell sobre electricidad y luz.

Después de muchos intentos e intensos debates, físicos como Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg y Albert Einstein, por mencionar algunos, llegaron a una serie de ecuaciones. Las ecuaciones de la mecánica cuántica implican que el resultado de un experimento típico siempre será incierto, pero que puedo calcular con mucha precisión la frecuencia con la cual voy a obtener cada resultado si repito el experimento muchas veces. Del punto de vista teórico, realizar un experimento en mecánica cuántica, no es diferente de preguntar a transeúntes cual es su equipo de fútbol preferido. Tras realizar el cuestionario muchas veces y en todo el país, podría asignar cierta probabilidad a cada uno de los equipos de fútbol.

Sin embargo, si me ubico en la plaza de Curicó, no es extraño obtener la misma respuesta una y otra vez. Decimos que las respuestas de las personas son correlacionadas porque viven en la misma ciudad. En cualquier situación donde uso probabilidades para describir un resultado incierto, hay estas correlaciones y no tienen que ver con mecánica cuántica necesariamente.

Si imaginamos ahora dos periodistas que interrogan a dos personas, y las respuestas a todas las preguntas coinciden (o son exactamente opuestas), hay dos explicaciones posibles. O las dos personas se pusieron de acuerdo sobre las respuestas antes de la entrevista, o tienen una manera de comunicar y de influenciar la respuesta del otro, durante la entrevista.

Para excluir la segunda posibilidad, puedo imaginar muchas estrategias: poner las personas muy lejos una de otra para que no puedan escuchar la respuesta del otro, ubicarlos en piezas separadas o quitarles el celular. En física, la manera infalible para impedir comunicación entre estos desafortunados entrevistados, es que estén tan lejos uno del otro, que el tiempo que toma la luz para viajar desde uno a otro, sea mayor al tiempo que tienen para responder. Como ninguna señal puede viajar más rápido que la luz, no hay trampa posible.

Ahora, imaginemos que en vez de personas, tenemos dos partículas subatómicas (fotones en los experimentos) que salen de una caja conjuntamente, viajan muy lejos en direcciones opuestas, y después se realiza un experimento para ver su respuesta. En mecánica cuántica, puedo construir situaciones así donde las respuestas de ambas partículas, a una medición que observa una de sus propiedades, estén exactamente correlacionadas.

Así que, razonó Einstein, si mido propiedades de dos partículas que salieron de la misma caja, y coinciden una y otra vez, aunque realice las mediciones en lugares tan alejados que no se puedan influenciar, es necesario que tengan planificadas sus respuestas al experimento al momento de salir.

En 1964 el físico John Stewart Bell realizó un cálculo sorprendente. Si tengo una manera de cambiar la pregunta que hago a los entrevistados (o fotones) y supongo que determinaron sus respuestas cuando estaban juntos en la sala de espera (o en la caja), las correlaciones son muy diferentes de las que predice la mecánica cuántica. Luego, quedan dos opciones. O la mecánica cuántica está incorrecta, o a pesar de todo, los fotones pueden influenciarse estando lejos. Tan solo hay que realizar el experimento imaginado por Bell para decidir.

Aquí llegamos al punto de la historia donde hay que insistir en que no hay diferencia entre ciencia teórica y experimental, hasta que llega el momento de realizar el experimento. Es fácil entrevistar a personas y mucho, mucho más difícil medir con precisión propiedades de partículas elementales individuales. Además, muchos físicos no se interesaron en el trabajo de Bell, ya que su significado era más conceptual que práctico.

Finalmente John Clauser, uno de los tres galardonados con el premio Nobel, ideó un experimento más realista que permitiría zanjar el asunto. Después de un arduo trabajo, él adaptó un equipo que le permitió medir las correlaciones entre pares de fotones. Los resultados estuvieron perfectamente de acuerdo con las predicciones de la mecánica cuántica, y desde luego, incompatibles con respuestas predeterminadas en la “sala de espera”.

Quedaba la posibilidad que, por algún mecanismo desconocido, los electrones (o los equipos experimentales que toman el papel de periodistas) se pudiesen influenciar durante el experimento. Aunque esto sería muy improbable, en el experimento de Clauser, las dos entrevistadas no estaban tan lejos una de otra, pero la comunicación entre ellas tendría que ser más rápida que la velocidad de la luz.

Alain Aspect y Anton Zeilinger realizaron experimentos sucesivos cada vez más sofisticados que culminaron recién en 2015, donde cualquier tipo de trampa está excluida. Los experimentos pusieron en evidencia que estas correlaciones, que se conocen como entanglement (entrelazamiento), que son una propiedad fundamental de la mecánica cuántica, y empujaron el desarrollo de tecnologías más y más avanzadas para manipularla. Se idearon maneras de usarla en tecnologías nuevas, por ejemplo para la seguridad de comunicaciones digitales.

Más que un descubrimiento en particular, este premio Nobel corona una historia de cien años, que va desde la pregunta más fundamental hasta aplicaciones tecnológicas inimaginadas.

*Doctora en Física e investigadora principal del Centro de Modelamiento Matemático de la Universidad de Chile