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 de EPR criticaba 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 desarrollo una desigualdad matemática, en forma de teorema, conocida hoy como desigualdad de Bell. La desigualdad demostraba que si se asumía las nociones de localidad y se suponía que la medición era determinista (es decir que el valor de la propiedad medida existía independientemente de la medición) como afirmaban EPR en su trabajo, las correlaciones presentes despues de realizar una gran cantidad de medidas nunca deberían exceder un cierto valor. Sin embargo, esta cantidad era superada para cierto experimentos realizados con estados entrelazados, los cuales presentan correlaciones cuánticas entre ellos que les brindan sus 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, and Richard Holt, desarrollaron en 1969 otras desigualdades conocidas como CHSH por sus iniciales y implicaban una variación que podía medirse en forma experimental. A través de una serie de experimentos Clauser junto con Freedman en 1972, pudieron comprobar la violación de las desigualdades de Bell-CHSH al emplear estados entrelazados. En estos experimentos no obstante habia una ambiguedad asociada a la falta de independencia entre las medidas realizadas por los 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 surgió en el experimento de Clauser.

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

Estos resultados fueron centrales para un rápido desarrollo del área de información cuántica.

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