Premio Nobel de Física 2022

Los galardonados con el premio Nobel de Física 2022 son tres especialistas en el campo de la información cuántica. Ellos son de izquierda a derecha John F. Clauser (EEUU), Anton Zeilinger (Austria) y Alain Aspect (Francia).

Estos expertos han realizado experimentos fundamentales para comprobar la naturaleza y propiedades de los llamados estados cuánticos entrelazados. Cuando dos o más partículas están en un estado entrelazado, se comportan como una única entidad, aún estando en sitios diferentes, y separadas por grandes distancias. Más aún estas partículas presentan correlaciones especiales entre ellas que dan como resultado que si alguna propiedad en una de las partes es modificada, esta modificación también afecta a la otra parte.

Las propiedades de los estados entrelazados han despertado un gran interés debido a que estos estados son el ingrediente esencial en la realización de formas completamente nuevas de procesar y transferir la información, como la teleportación cuántica[[1]], la computación cuántica[[2]] y la criptografía cuántica[[3]].

Estas propiedades tan especiales desataron en su momento una gran controversia, asociada a la idea de que las extrañas propiedades de tales estados se debían a la presencia de ciertas variables ocultas, como afirmaron Einstein Podolski y Rosen en un famoso artículo de 1935, Einstein, A.; Podolsky, B.; Rosen, N. (1935). «Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?». Physical Review 47: 777-780. En este artículo EPR criticaban los conceptos básicos de la mecánica cuántica, como la no localidad y la operación de medición (el valor de una propiedad se conoce al hacer la medición), afirmando que la teoría era incompleta.

Afortunadamente esta discusión fue cerrada por John Stewart Bell, quien en 1964 desarrolló una desigualdad matemática, en forma de teorema, conocida hoy como desigualdad de Bell. La desigualdad demostraba que si se asumían las ideas de EPR, es decir, las nociones de localidad y se suponía que la medición era determinista (o sea que el valor de la propiedad medida existía independientemente de la medición) como afirmaban EPR en su trabajo, las correlaciones presentes después de realizar una gran cantidad de medidas nunca deberían exceder un cierto valor. Sin embargo, esta cantidad era superada en ciertos experimentos realizados con estados entrelazados, los cuales al presentar correlaciones cuánticas entre ellos, poseen características especiales. Con estos resultados se mostraba que la Mecánica Cuántica estaba en lo cierto.

Basándose en las ideas de Bell, John Clauser, en conjunto con Michael Horne, Abner Shimony, y Richard Holt, desarrollaron en 1969 otras desigualdades, hoy conocidas como desigualdades CHSH, por sus iniciales, que implicaban una variación sobre la propuesta original de Bell, y que resultaban más adecuadas para realizar una medida en experimental. A través de una serie de experimentos, realizados en 1972, Clauser junto con Freedman, quien estaba realizando su tesis doctoral, pudieron comprobar la violación de las desigualdades de Bell-CHSH, empleando estados entrelazados. En estos experimentos, no obstante, había una ambigüedad asociada a la falta de independencia entre las medidas realizadas por dos observadores.

Por su parte, en 1981 y 1982, Alan Aspect, junto a sus colaboradores Phillipe Grangier, Gérard Roger, y Jean Dalibard, fueron los primeros en realizar un experimento con técnicas mejoradas, que pudo evitar la ambigüedad asociada a la no localidad que había surgido en el experimento de Clauser.

Los experimentos de Clauser y Aspect mostraron a la comunidad científica la importancia fundamental del entrelazamiento cuántico, y además proporcionaron las bases para realizar experimentos que usaban fotones que permanecían entrelazados, aún a distancias grandes uno del otro.

Estos resultados fueron centrales para un rápido desarrollo del área de información cuántica, que se dió a partir de 1980.

Otro importante logro basado en las propiedades de los estados entrelazados, fue la posibilidad de transportan la información contenida en un estado cuántico, desde un laboratorio a otro, mediante el protocolo de teleportación cuántica. Este procedimiento, en el cual el estado cuántico de una partícula en un laboratorio se recupera en otro, se logra empleando un estado entrelazado, que es compartido por los dos laboratorios que realizan el experimento.

La propuesta teórica debida a C.H. Bennett, en colaboración con G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres y W.K. Wotters, fue publicada en un artículo de Phys. Rev. Lett. 70, 1895 (1993). La primera comprobación experimental fue realizado en 1997 por el grupo de Anton Zeilinger y colaboradores, y posteriormente en 1998 por el grupo de D. Boschi y colaboradores.