Premio Nobel de Física 2022: De partículas entrelazadas a Computadores Cuánticos

La reciente entrega del Premio Nobel de Física 2022 a tres investigadores experimentales del campo de la Mecánica Cuántica, y valga decir, galardonados por una serie de experimentos sobre “partículas entrelazadas” que vienen realizando y perfeccionando desde la década de los 70 a la fecha, ha permitido a su vez poner atención en el increíble desarrollo de la computación cuántica.

En la siguiente entrevista, el Dr. Miguel Ángel Solís comenta la importancia de la experimentación de partículas entrelazadas, y nos entrega, además, algunas claves para entender los avances de la computación cuántica.

– El revuelo mediático tras el anuncio de los Premios Nobel de este año, relacionados con experimentos que vienen desde hace varias décadas a la fecha y que terminaron comprobando el entrelazamiento cuántico, ha vuelto a poner de moda viejos sueños humanos como, por ejemplo, la teletransportación. ¿Por qué fueron galardonados Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger con el Premio Nobel de Física 2022?

Estos experimentos comprobaron la existencia de una correlación entre dos partículas, una que se transmite de manera más rápida que la luz, y que había sido predicha por la Mecánica Cuántica en la década de 1930. Una cuestión de gran importancia conceptual al considerar que uno de nuestros grandes referentes de la física moderna, me refiero a Albert Einstein, se negaba a creer en la existencia de esta correlación a distancia, así como tampoco creía en el carácter aleatorio (azar) de la Mecánica Cuántica. En cambio, él creía que debían existir “variables ocultas” que pudiesen explicar los mismos resultados sin recurrir al entrelazamiento ni a la aleatoriedad.

La primera confirmación experimental de la existencia de entrelazamiento y de cómo estas “variables ocultas” no eran necesarias, llegó con John F. Clauser y Stuart Freedman en 1972. Pero este experimento tenía unas posibles debilidades, algo que en el mundo de la Mecánica Cuántica se conocen como “loopholes”. Ahí es donde los trabajos de Alain Aspect y su equipo, en la década de 1980, cobraron relevancia al cerrar esas potenciales debilidades. Así, los experimentos demostraron que, al menos en este tema, Einstein estaba muy equivocado.

Respecto a la teletransportación, efectivamente se está estudiando y se ha logrado también comprobar. Pero no se trata de teletransportar objetos, ni materia. Se trata de experimentos que teletransportan información entre partículas: trasladan una determinada información de una partícula a otra, sin entrar en contacto directo con la partícula que “recibe” la información. Y para ello, se utiliza el entrelazamiento cuántico como un recurso fundamental. Y uno de los primeros en evidenciar experimentalmente este fenómeno, y otros relacionados, fue el equipo de Anton Zeilinger, a partir de la década de 1990.

– Aquí hay un punto importante, porque en la cultura popular nada viaja más rápido que la luz, pero al parecer la experimentación del entrelazamiento cuántico revela que –al menos en el estado cuántico- existe una conexión más rápida.

La demostración experimental del entrelazamiento cuántico y sus implicancias para la teoría cuántica reveló, efectivamente, algunas verdades interesantes. Se comprobó que a nivel de partículas subatómicas puede existir una conexión aún más rápida que la velocidad de la luz, actualmente conocida como entrelazamiento. Así, dos partículas fuertemente entrelazadas se siguen comportando como si fueran una sola unidad aun cuando estén separadas a gran distancia. Es decir que una pequeña intervención en la propiedad de una partícula, se ve inmediatamente reflejada en las mediciones que se hagan sobre la otra, aquella con la que se encuentra “entrelazada”.

Y sí, es algo que parece de ciencia ficción, pero que ocurre de manera cotidiana en el mundo natural del estado cuántico, un fenómeno físico que incluso a Einstein le era difícil de aceptar: en el mundo atómico, dos partículas alejadas pueden compartir un estado cuántico entrelazado. Pero también tenemos otra conclusión relevante, y es que este hallazgo zanjó un debate que tenía décadas de duración: la Mecánica Cuántica sí es una teoría completa al no tener que depender de estas variables ocultas ya mencionadas.

Ahora, es necesario aclarar que esta conexión “más rápida que la velocidad de la luz” no significa que se pueda enviar información en forma más rápida que la velocidad de la luz, sino que quiere decir que las observaciones que se hagan sobre partículas entrelazadas sí exhiben esta correlación. Y aún hay un desafío, tanto intelectual como tecnológico, en ver cómo aprovechar esta correlación para resolver problemas del mundo real.

– ¿Qué perspectivas de investigación y aplicación tecnológica desde la mecánica cuántica se abren al mundo?

Se abre un abanico de posibilidades de investigación teórica y aplicaciones prácticas que van desde una computación cuántica que permitiría hacer cálculos matemáticos más rápidos y complejos; investigaciones que profundicen en el fenómeno del entrelazamiento de partículas y en la teletransportación de información; o concretar mejoras inéditas de seguridad en comunicaciones debido a algunas características innatas del mundo cuántico como, por ejemplo, la imposibilidad del clonado cuántico.

– Ese último punto debiera ser de gran interés nacional y social, es decir, podríamos quedar realmente atrás en materia de seguridad.

Efectivamente, ya existe una asimetría entre países, y en este caso particular, una brecha tecnológica entre aquellos que invierten más recursos en investigación tecnológica, que probablemente se verá profundizada en el momento que algunos países puedan comenzar a usar computadores cuánticos con fines estratégicos. De todos modos, aún queda bastante por resolver, pues la computación cuántica tiene aún una debilidad técnica que está relacionada con el control de los átomos e iones, pues para que esta tecnología funcione, la interacción entre estas partículas debe ser, idealmente, limpia y libre de ruido.

– Dada la importancia estratégica de esta materia, surge la pregunta: En la Araucanía ¿tenemos capital humano que comprenda la mecánica cuántica?, ¿que investigue y teorice?

La verdad es que todos los físicos, independientemente de la especialidad que hayamos escogido, tenemos una formación básica en Mecánica Cuántica, aprendida en nuestros cursos universitarios de pregrado. Los académicos y académicas del Departamento de Ciencias Físicas de la Universidad de La Frontera, por ejemplo, tenemos esa formación. Y, posteriormente, al especializarse algunos han tenido que aprender aún más. En mi caso, me dedico a estudiar la información cuántica. Pero tengo colegas en la UFRO que estudian la interacción entre radiación y materia con fines médicos (Grupo de Física Médica) o cómo se comporta la materia a nivel microscópico (Grupo de Materia Condensada), lo cual también requiere conocimientos avanzados de cuántica. Así mismo, la mayoría de los experimentos en información y computación cuántica están hechos con láseres y lentes, de modo que el manejo de óptica, otra de las especialidades de nuestro Departamento a cargo del Grupo de Fotónica y Teledetección, también es fundamental para entender cómo funcionan estos experimentos.

En síntesis, en la Universidad de La Frontera tenemos las condiciones para hacer investigación teórica de primer nivel, en materias que son de interés nacional e internacional.

– Por último, ¿qué habilidades y competencias deberían tener las personas interesadas en conocer la mecánica cuántica, en dedicarse a una carrera científica?

Por ejemplo, a quienes le interesa la computación cuántica, se recomienda aprender a programar en Python, pues las computadoras cuánticas de IBM se manejan con este lenguaje de programación. Pero, en general, para comprender el fascinante mundo de la Mecánica Cuántica, se requiere creatividad, imaginación, disposición a aprender cosas nuevas e interés por la física y las matemáticas.