El Premio Nobel de Física de 2022 reconoció a tres científicos que hicieron contribuciones innovadoras para entender uno de los fenómenos naturales más misteriosos: el entrelazamiento cuántico.
En términos más sencillos, el entrelazamiento cuántico significa que los aspectos de una partícula de un par entrelazado dependen de los aspectos de la otra partícula, sin importar la distancia a la que se encuentren o lo que haya entre ellas. Estas partículas pueden ser, por ejemplo, electrones o fotones, y un aspecto puede 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 de un par entrelazado, se sabe inmediatamente algo sobre la otra partícula, aunque estén a millones de años luz de distancia. Esta extraña conexión entre las dos partículas es instantánea y parece romper una ley fundamental del universo. Albert Einstein llamó al fenómeno “acción espeluznante a distancia”.
Tras haber pasado 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 integran ahora los fenómenos cuánticos en su conocimiento del mundo con un grado de certeza excepcional.
Sin embargo, incluso hasta los años 70, los investigadores seguían divididos sobre si el entrelazamiento cuántico era un fenómeno real. Y por buenas razones: ¿quién se atrevería a contradecir al gran Einstein, que lo dudaba? Hizo falta el desarrollo de nuevas tecnologías experimentales e investigadores audaces para acabar con este misterio.
Las partículas existen en varios estados a la vez
Para comprender realmente lo espeluznante del entrelazamiento cuántico, es importante entender 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 de la superposición.
Por ejemplo, muchas partículas tienen un atributo llamado espín que se mide como “arriba” o “abajo” para una orientación determinada del analizador. Pero hasta que se mide el espín de una partícula, ésta existe simultáneamente en una superposición de espín arriba y espín abajo.
Hay una probabilidad asociada a cada estado, y es posible predecir el resultado medio a partir de muchas mediciones. La probabilidad de que una sola medición sea ascendente o descendente depende de estas probabilidades, pero es en sí misma impredecible.
Aunque es muy extraño, las matemáticas y un gran número de experimentos han demostrado que la mecánica cuántica describe correctamente la realidad física.
La realidad de la superposición cuántica
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 hay que dividir un sistema en dos, donde la suma de las partes es conocida. Por ejemplo, se puede 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 fundacional del universo.
Una versión simplificada de este experimento mental, atribuido 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 espines opuestos y se alejan el uno del otro. Por lo tanto, si el espín del electrón se mide 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 hacia arriba y el espín medido del positrón fuera siempre hacia abajo. Pero, debido a la mecánica cuántica, el espín de cada partícula es a la vez parte ascendente y parte descendente hasta que se mide. Sólo cuando se produce la medición, el estado cuántico del espín “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 extremo más alejado del universo.
Los físicos, incluido Einstein, propusieron una serie de interpretaciones alternativas del entrelazamiento cuántico en la década de 1930. Sostenían que había alguna propiedad desconocida -denominada variable oculta- que determinaba el estado de una partícula antes de la medición. Pero en aquella época, los físicos no disponían de la tecnología ni de una definición de medición clara que permitiera comprobar si era necesario modificar la teoría cuántica para incluir las variables ocultas.
¿Es necesario modificar la teoría cuántica?
Hubo que esperar hasta la década de 1960 para tener alguna pista sobre la respuesta. John Bell, un brillante físico irlandés que no llegó a recibir el Premio Nobel, ideó un esquema para comprobar si la noción de variables ocultas tenía sentido.
Bell elaboró una ecuación que ahora se conoce como la desigualdad de Bell, que es siempre 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 satisface en un experimento del mundo real, las teorías de variables ocultas locales pueden descartarse como explicación del entrelazamiento cuántico.
Los experimentos de los 2022 premios Nobel, especialmente 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 forma concluyente la existencia de variables ocultas, un misterioso atributo que predeterminaría los estados de las partículas entrelazadas. En conjunto, estos y otros muchos experimentos posteriores han reivindicado la mecánica cuántica. Los objetos pueden correlacionarse a grandes distancias de un modo que la física anterior a la mecánica cuántica no podía explicar.
Y lo que es más importante, no 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 se transmita información entre las partículas. Dos partes alejadas que realizan mediciones en partículas entrelazadas no pueden utilizar el fenómeno para transmitir información más rápido que la velocidad de la luz.
En la actualidad, los físicos siguen investigando el entrelazamiento cuántico y las posibles aplicaciones prácticas. Aunque la mecánica cuántica puede predecir la probabilidad de una medición con una precisión increíble, muchos investigadores siguen siendo escépticos de que proporcione una descripción completa de la realidad. Sin embargo, una cosa es cierta. Queda mucho por decir sobre el misterioso mundo de la mecánica cuántica.