Nobel de Física: de la incredulidad de Einstein al sueño de la computación cuántica
El Premio Nobel de Física de este año se lo entregaron a tres investigadores que demostraron, con experimentos que deslumbraron a la comunidad científica, una idea en la que Einstein no creía. A sus ojos era “una acción fantasmagórica a distancia”. Sin embargo, lo que lograron estos físicos tiene al mundo soñando con la computación cuántica.
Sergio Silva Numa
Antes de que en la madrugada de este 4 de octubre anunciaran los ganadores del Premio Nobel de Física, varios investigadores, como suele suceder, habían lanzado algunas conjeturas en diversas redes sociales. Cuando a Jairo Alexis López, profesor del Departamento de Física de la Universidad Nacional, le preguntaron en Twitter cuáles eran sus candidatos para obtener el galardón, lo primero que escribió fue el nombre de Alain Aspect. Este es su año, dijo. “Hizo los primeros experimentos de entrelazamiento cuántico y ha contribuido al desarrollo de las tecnologías cuánticas”. Santiago Vargas, también físico de la Unal y PhD en Astrofísica, le respondió que el austriaco Anton Zeilinger también podía clasificar. (Lea Un colombiano brilla en las altas esferas de la física nuclear)
Como esos vaticinios, hubo mensajes similares. Buena parte de quienes se mueven en el mundo de la Física tenían en su radar que tanto Aspect, francés, como Zeilinger, estaban entre los candidatos para llevarse el Nobel de este año. En la lista algunos añadieron al estadounidense John F. Clauser. “Es un reconocimiento atrasado para estos gigantes en el campo”, le dijo a la revista Science Adrian Kent, físico cuántico de la Universidad de Cambridge, Reino Unido. “Es un premio hermoso”, añadió Ronald Hanson, físico cuántico de la Universidad Tecnológica de Delft, en los Países Bajos.
Nicolás Quesada, PhD en Física de la Universidad de Toronto e investigador vinculado a la Escuela Politécnica de Montreal, también esperaba que ese campo, que por años parecía más cercano a la ciencia ficción, se llevara el Nobel. “El trabajo de estos tres investigadores es realmente sorprendente. La comunidad está muy contenta”, dice desde Canadá, donde participó en la construcción del computador cuántico de la empresa a Xanadu, que hace un par de meses acaparó varios titulares alrededor del mundo.
A lo que se refieren todos es que había motivos de sobra para que estos tres científicos hoy se llevaran el Nobel. Han sido los pioneros, dijo el jurado del Premio, de las “tecnologías de la información cuántica”, un área que empezó a tomar mucha forma en la década del 60, cuando el teórico británico John Stewart Bell planteó una serie de postulados que plantearon un enorme desafío a quienes querían comprobarlos de forma experimental. (Lea ¿Quiénes eligen a los ganadores de los premios Nobel?)
Como apuntan Biran Cox yJeff Forsahw, físicos teóricos de la Universidad de Manchester, en su libro El Universo Cuántico, en este campo, primero los físicos teóricos trabajan intensamente para predecir el resultado de los experimentos, y luego los físicos experimentales construyen y lleva a cabo delicados experimentos para dilucidar los detalles más menudos de la naturaleza.
Eso fue el paso que dieron Clauser, Aspect y Zeilinger. Sin adentrarnos (aún) en los detalles técnicos, el primero, en 1972, llevó a cabo experimentos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en Berkeley, California, para medir una de las ideas de Bell: el “entrelazamiento cuántico” (ya volveremos a él). Diez años más tarde, en la U. de París, Aspect también llevó a cabo experimentos y, posteriormente, Zeilinger, en 1998, continuó el trabajo desde Austria.
Los resultados que obtuvieron, como dijo el Comité del Premio Nobel, tiene implicaciones en áreas como la transferencia segura de información y de la computación cuántica, un sueño que desde hace años también acarician empresas como Google e IBM. Es un “campo vibrante y de rápido desarrollo”, dijo Eva Olsson, miembro del comité. “Sus predicciones han abierto puertas a otro mundo y también ha sacudido los cimientos mismos de cómo interpretamos las medidas”.
Estos físicos, añadieron en la ceremonia en la que anunciaron los ganadores, “han realizado experimentos revolucionarios con fotones entrelazados, estableciendo el quebranto de las desigualdades de Bell”. Es decir, hicieron “experimentos revolucionarios de entrelazamiento cuántico, en los que dos partículas se comportan como si estuvieran coordinadas, pese a estar incluso a kilómetros de distancia”.
No sería descabellado decir que si Einstein estuviera vivo se llevaría una sorpresa. Cuando se refería al “entrelazamiento cuántico” o “enredamiento cuántico” solía decir que era una idea poco aceptable. La frase con la que calificaba a este fenómeno ha cobrado popularidad: “es una acción fantasmagórica a distancia”. Hoy, sin embargo, es una realidad.
Un enredo cuántico
Aunque hablar de mecánica cuántica suele asustar a más de un lector (“creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”, dijo alguna vez el popular físico Richard Feynman), una buena manera de comenzar a comprender este concepto es entender que hay, al menos, dos descripciones del mundo físico en el que vivimos.
Una de ellas, nos explicaba Quesada, es la mecánica clásica, que describe, por ejemplo, cómo se mueven los planetas y todas las actividades de nuestra cotidianidad. La otra gran “teoría” es la “mecánica cuántica”, una rama que, saltándonos muchas precisiones y detalles técnicos, se ha encargado de estudiar el comportamiento de la materia en dimensiones muchísimo más pequeñas como los sistemas atómicos.
Dicho de manera mucho más simple, como escribían Cox y Forsahw en su libro, mientras que las teorías espacial y general de la relatividad de Einstein abordan la naturaleza del espacio y del tiempo y la fuerza de la gravedad, la mecánica cuántica aborda todo lo demás. Es una teoría, decían, “fascinante” y “desconcertante” que describe cómo se comportan las cosas.
Entre esos puntos desconcertantes se encuentra, justamente, el “entrelazamiento cuántico”. Cuando le pedimos que lo explique, lo primero que hace el profesor Luis Quiroga Puello es enviar un mensaje de calma. “No se preocupe. Lo primero que debo decir con franqueza es que nadie entiende el entrelazamiento cuántico. Ha sido un gran motivo de debate hasta entre los físicos más brillantes”, dice Quiroga, físico de la U. Nacional, PhD en Física de sólidos de la U. Pierre et Marie Curie y profesor emérito de la U. de los Andes,
Hecha esta salvedad, hay un concepto que, a sus ojos, vale la pena tener claro para comprender el “entrelazamiento cuántico”: el del llamado “principio de superposición”. En pocas palabras, lo que sugiere es que un objeto cuántico (es decir, un electrón, un átomo o una molécula) puede encontrarse en dos estados a la vez. Es una idea que no permite la física que aprendimos en el colegio, pero sí la física cuántica.
El siguiente paso es imaginarse la siguiente escena: que existan dos objetos cuánticos que comparten información en los que también exista el principio de superposición. “Entonces, tenemos una partícula A, en un estado, y una partícula B, en otro estado. Pero, a su vez, ambas se pueden superponer, lo cual genera la posibilidad de tener muchas superposiciones entre ellas. Pese a eso y pese a llevar una a otra galaxia, pueden mantener una comunicación. Eso es el ‘enredamiento cuántico’”, explica Quiroga. “Entonces, eso permite que si mido la partícula A, eso inmediatamente va a predeterminar el resultado que va a ofrecer la partícula B. Es decir, hay una correlación de resultados”.
En otros términos, la existencia de esa correlación indica que si conocemos la propiedad de la partícula A, también conocemos la propiedad de la partícula B, así las alejemos a varios kilómetros.
La idea de tener dos partículas muy distanciadas, pero que funcionan en conjunto, era algo que, por supuesto, no le cuajaba del todo a Einstein. Sin embargo, los recientes ganadores del Nobel demostraron con sus experimentos, en los que usaron y midieron fotones -una partícula elemental de la luz-, que no es algo tan descabellado.
Y eso es algo muy útil en el desarrollo de la computación cuántica (que está resolviendo en una fracción de segundo problemas que tardarían miles de años a un ordenador normal) o en los métodos para encriptar información. Mientras que un hacker puede ingresar al teléfono en el que usted está leyendo este artículo, la aplicación de esta tecnología impediría cualquier robo de información. Si lo llegase a hacer, gracias a la “superposición” y al “enredamiento cuántico” que permiten la “criptografía cuántica”, esa información se destruiría de “un soplido” y el espía quedaría con las manos vacías. Sería algo muy útil, por ejemplo, para el sistema bancario o las fuerzas militares.
Si en este punto, no quedó clara la idea de “enredamiento cuántico”, Quesada tiene un ejemplo más que puede ayudar a entenderla. Imagine que hay dos personas que dicen hacer telepatía y usted quiere descubrir si tienen ese “poder” o son unos simples charlatanes. Para comprobarlo, los encierra a cada uno en un cuarto con un supervisor para hacerles un test. La prueba consiste en echar una moneda al aire: si cae cara en los dos salones, ambos deben decir un mismo color. Si cae sello, también deben coincidir en el color que den como respuesta. Por el contrario, si en un cuarto cae cara y en el otro sello, deben decir colores distintos.
“Entonces, hay que imaginar que estas dos personas pueden ganar el 75% de las veces si no hacen ningún tipo de trampa. Así que deciden que la mejor estrategia para que no los descubran es decir ‘verde’ en todas las ocasiones. Además, para evitar que se comuniquen, los ubicamos en cuartos que están separados por una gran distancia, lo que garantiza que no se puedan enviar señales una vez se revele el resultado del lanzamiento de las monedas, pues nada puede viajar más rápido que la luz. Pero, si tuvieran unos fotones entrelazados, estas dos personas podrían ganar el juego con hasta un 85% de probabilidad, incluso si estuvieran muy distanciados”, apunta Quesada. “Eso es lo que permite en entrelazamiento cuántico”.
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Antes de que en la madrugada de este 4 de octubre anunciaran los ganadores del Premio Nobel de Física, varios investigadores, como suele suceder, habían lanzado algunas conjeturas en diversas redes sociales. Cuando a Jairo Alexis López, profesor del Departamento de Física de la Universidad Nacional, le preguntaron en Twitter cuáles eran sus candidatos para obtener el galardón, lo primero que escribió fue el nombre de Alain Aspect. Este es su año, dijo. “Hizo los primeros experimentos de entrelazamiento cuántico y ha contribuido al desarrollo de las tecnologías cuánticas”. Santiago Vargas, también físico de la Unal y PhD en Astrofísica, le respondió que el austriaco Anton Zeilinger también podía clasificar. (Lea Un colombiano brilla en las altas esferas de la física nuclear)
Como esos vaticinios, hubo mensajes similares. Buena parte de quienes se mueven en el mundo de la Física tenían en su radar que tanto Aspect, francés, como Zeilinger, estaban entre los candidatos para llevarse el Nobel de este año. En la lista algunos añadieron al estadounidense John F. Clauser. “Es un reconocimiento atrasado para estos gigantes en el campo”, le dijo a la revista Science Adrian Kent, físico cuántico de la Universidad de Cambridge, Reino Unido. “Es un premio hermoso”, añadió Ronald Hanson, físico cuántico de la Universidad Tecnológica de Delft, en los Países Bajos.
Nicolás Quesada, PhD en Física de la Universidad de Toronto e investigador vinculado a la Escuela Politécnica de Montreal, también esperaba que ese campo, que por años parecía más cercano a la ciencia ficción, se llevara el Nobel. “El trabajo de estos tres investigadores es realmente sorprendente. La comunidad está muy contenta”, dice desde Canadá, donde participó en la construcción del computador cuántico de la empresa a Xanadu, que hace un par de meses acaparó varios titulares alrededor del mundo.
A lo que se refieren todos es que había motivos de sobra para que estos tres científicos hoy se llevaran el Nobel. Han sido los pioneros, dijo el jurado del Premio, de las “tecnologías de la información cuántica”, un área que empezó a tomar mucha forma en la década del 60, cuando el teórico británico John Stewart Bell planteó una serie de postulados que plantearon un enorme desafío a quienes querían comprobarlos de forma experimental. (Lea ¿Quiénes eligen a los ganadores de los premios Nobel?)
Como apuntan Biran Cox yJeff Forsahw, físicos teóricos de la Universidad de Manchester, en su libro El Universo Cuántico, en este campo, primero los físicos teóricos trabajan intensamente para predecir el resultado de los experimentos, y luego los físicos experimentales construyen y lleva a cabo delicados experimentos para dilucidar los detalles más menudos de la naturaleza.
Eso fue el paso que dieron Clauser, Aspect y Zeilinger. Sin adentrarnos (aún) en los detalles técnicos, el primero, en 1972, llevó a cabo experimentos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en Berkeley, California, para medir una de las ideas de Bell: el “entrelazamiento cuántico” (ya volveremos a él). Diez años más tarde, en la U. de París, Aspect también llevó a cabo experimentos y, posteriormente, Zeilinger, en 1998, continuó el trabajo desde Austria.
Los resultados que obtuvieron, como dijo el Comité del Premio Nobel, tiene implicaciones en áreas como la transferencia segura de información y de la computación cuántica, un sueño que desde hace años también acarician empresas como Google e IBM. Es un “campo vibrante y de rápido desarrollo”, dijo Eva Olsson, miembro del comité. “Sus predicciones han abierto puertas a otro mundo y también ha sacudido los cimientos mismos de cómo interpretamos las medidas”.
Estos físicos, añadieron en la ceremonia en la que anunciaron los ganadores, “han realizado experimentos revolucionarios con fotones entrelazados, estableciendo el quebranto de las desigualdades de Bell”. Es decir, hicieron “experimentos revolucionarios de entrelazamiento cuántico, en los que dos partículas se comportan como si estuvieran coordinadas, pese a estar incluso a kilómetros de distancia”.
No sería descabellado decir que si Einstein estuviera vivo se llevaría una sorpresa. Cuando se refería al “entrelazamiento cuántico” o “enredamiento cuántico” solía decir que era una idea poco aceptable. La frase con la que calificaba a este fenómeno ha cobrado popularidad: “es una acción fantasmagórica a distancia”. Hoy, sin embargo, es una realidad.
Un enredo cuántico
Aunque hablar de mecánica cuántica suele asustar a más de un lector (“creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”, dijo alguna vez el popular físico Richard Feynman), una buena manera de comenzar a comprender este concepto es entender que hay, al menos, dos descripciones del mundo físico en el que vivimos.
Una de ellas, nos explicaba Quesada, es la mecánica clásica, que describe, por ejemplo, cómo se mueven los planetas y todas las actividades de nuestra cotidianidad. La otra gran “teoría” es la “mecánica cuántica”, una rama que, saltándonos muchas precisiones y detalles técnicos, se ha encargado de estudiar el comportamiento de la materia en dimensiones muchísimo más pequeñas como los sistemas atómicos.
Dicho de manera mucho más simple, como escribían Cox y Forsahw en su libro, mientras que las teorías espacial y general de la relatividad de Einstein abordan la naturaleza del espacio y del tiempo y la fuerza de la gravedad, la mecánica cuántica aborda todo lo demás. Es una teoría, decían, “fascinante” y “desconcertante” que describe cómo se comportan las cosas.
Entre esos puntos desconcertantes se encuentra, justamente, el “entrelazamiento cuántico”. Cuando le pedimos que lo explique, lo primero que hace el profesor Luis Quiroga Puello es enviar un mensaje de calma. “No se preocupe. Lo primero que debo decir con franqueza es que nadie entiende el entrelazamiento cuántico. Ha sido un gran motivo de debate hasta entre los físicos más brillantes”, dice Quiroga, físico de la U. Nacional, PhD en Física de sólidos de la U. Pierre et Marie Curie y profesor emérito de la U. de los Andes,
Hecha esta salvedad, hay un concepto que, a sus ojos, vale la pena tener claro para comprender el “entrelazamiento cuántico”: el del llamado “principio de superposición”. En pocas palabras, lo que sugiere es que un objeto cuántico (es decir, un electrón, un átomo o una molécula) puede encontrarse en dos estados a la vez. Es una idea que no permite la física que aprendimos en el colegio, pero sí la física cuántica.
El siguiente paso es imaginarse la siguiente escena: que existan dos objetos cuánticos que comparten información en los que también exista el principio de superposición. “Entonces, tenemos una partícula A, en un estado, y una partícula B, en otro estado. Pero, a su vez, ambas se pueden superponer, lo cual genera la posibilidad de tener muchas superposiciones entre ellas. Pese a eso y pese a llevar una a otra galaxia, pueden mantener una comunicación. Eso es el ‘enredamiento cuántico’”, explica Quiroga. “Entonces, eso permite que si mido la partícula A, eso inmediatamente va a predeterminar el resultado que va a ofrecer la partícula B. Es decir, hay una correlación de resultados”.
En otros términos, la existencia de esa correlación indica que si conocemos la propiedad de la partícula A, también conocemos la propiedad de la partícula B, así las alejemos a varios kilómetros.
La idea de tener dos partículas muy distanciadas, pero que funcionan en conjunto, era algo que, por supuesto, no le cuajaba del todo a Einstein. Sin embargo, los recientes ganadores del Nobel demostraron con sus experimentos, en los que usaron y midieron fotones -una partícula elemental de la luz-, que no es algo tan descabellado.
Y eso es algo muy útil en el desarrollo de la computación cuántica (que está resolviendo en una fracción de segundo problemas que tardarían miles de años a un ordenador normal) o en los métodos para encriptar información. Mientras que un hacker puede ingresar al teléfono en el que usted está leyendo este artículo, la aplicación de esta tecnología impediría cualquier robo de información. Si lo llegase a hacer, gracias a la “superposición” y al “enredamiento cuántico” que permiten la “criptografía cuántica”, esa información se destruiría de “un soplido” y el espía quedaría con las manos vacías. Sería algo muy útil, por ejemplo, para el sistema bancario o las fuerzas militares.
Si en este punto, no quedó clara la idea de “enredamiento cuántico”, Quesada tiene un ejemplo más que puede ayudar a entenderla. Imagine que hay dos personas que dicen hacer telepatía y usted quiere descubrir si tienen ese “poder” o son unos simples charlatanes. Para comprobarlo, los encierra a cada uno en un cuarto con un supervisor para hacerles un test. La prueba consiste en echar una moneda al aire: si cae cara en los dos salones, ambos deben decir un mismo color. Si cae sello, también deben coincidir en el color que den como respuesta. Por el contrario, si en un cuarto cae cara y en el otro sello, deben decir colores distintos.
“Entonces, hay que imaginar que estas dos personas pueden ganar el 75% de las veces si no hacen ningún tipo de trampa. Así que deciden que la mejor estrategia para que no los descubran es decir ‘verde’ en todas las ocasiones. Además, para evitar que se comuniquen, los ubicamos en cuartos que están separados por una gran distancia, lo que garantiza que no se puedan enviar señales una vez se revele el resultado del lanzamiento de las monedas, pues nada puede viajar más rápido que la luz. Pero, si tuvieran unos fotones entrelazados, estas dos personas podrían ganar el juego con hasta un 85% de probabilidad, incluso si estuvieran muy distanciados”, apunta Quesada. “Eso es lo que permite en entrelazamiento cuántico”.
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