Sabemos que la Energía mueve al mundo, la industria y la sociedad y se puede constatar que el siglo pasado se movió y desarrolló usando el recurso físico de la Energía eléctrica, eólica, electromagnética, nuclear, etcétera. Por otra parte, después de todo el desarrollo conceptual y experimental de las Tecnologías Cuánticas, podemos afirmar y predecir con certeza que en este siglo la industria y la sociedad se moverán y desarrollarán usando además el recurso físico proporcionado por la Mecánica Cuántica: el “enredamiento cuántico”. Las sociedades que carezcan de este recurso y no lo produzcan se irán quedando rezagadas; por lo tanto, se puede afirmar categóricamente que la Mecánica Cuántica es la base para el desarrollo tecnológico de este siglo.
¿Pero qué es el enredamiento cuántico, cómo surgió, cuál es la fascinante historia que hay detrás de este recurso físico donde han intervenido algunos de los físicos más brillantes y de qué manera está desarrollando al mundo?
Como probablemente sabrán, el premio Nobel de Física 2022 fue otorgado a tres científicos que trabajan en las áreas de Mecánica Cuántica y Óptica Cuántica: Alain Aspect, Anton Zeilinger y JohnClauser, por la demostración experimental de violaciones a las desigualdades de Bell. Estas violaciones certifican la existencia de enredamiento cuántico, propiedad cuántica que no tiene contraparte en el mundo de la física clásica y que da lugar a un recurso físico que es en cierta forma similar a la energía porque permite realizar diferentes tareas no-clásicas, entre estas últimas podemos mencionar a la Teletransportación Cuántica, la Criptografía Cuántica y la Computación Cuántica. Todo este desarrollo científico y experimental ha permitido, también, ir construyendo toda una base conceptual y experimental para la metrología cuántica; y en general, de lo que ahora se denomina Tecnologías Cuánticas.
La historia es fascinante, ya que las desigualdades de Bell surgen debido a un cuestionamiento muy fuerte realizado por Albert Einstein al Principio de Incertidumbre de Heisenberg, quien junto con Boris Podolsky y Natan Rosen publicaron lo que se conoció como la Paradoja Einstein-Podolsky-Rosen tratando de poner un contra-ejemplo al Principio de Incertidumbre. Para proponer y formular esta paradoja Einstein y colaboradores usaron los estados enredados o entrelazados (como los que aparecen en la Figura 1) con la intención de demostrar que la Mecánica Cuántica era una teoría incompleta.
La paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen publicada en el año 1935 desató un gran debate científico sobre la validez de la Mecánica Cuántica, ya que puso en el centro de la discusión científica la legitimidad de la función de onda para representar al mundo cuántico. Durante muchos años este fenómeno fue discutido por físicos brillantes sin poder establecer un resultado claro que fuera aceptado por la comunidad científica por lo que este debate permaneció sin resolverse por muchas décadas, hasta que finalmente el análisis que sobre esta paradoja realizó John Bell en 1965 lo llevó a postular que existe una relación estadística (desigualdades) que permite probar y discernir experimentalmente lo que en realidad establece la Naturaleza Cuántica al respecto. Finalmente, con la demostración experimental que realizan los premios Nobel de este año 2022, se confirma que la Mecánica Cuántica predice bien los resultados estadísticos de los experimentos, llegándose a la conclusión de que es una teoría completa y no-local lo que pone fin a este debate legendario de 80 años y consolida a la Mecánica Cuántica como uno de los paradigmas más trascendentes de toda la física que actualmente los países desarrollados y las compañías mundiales están explotando al máximo por las múltiples ventajas que este nuevo recurso ofrece al desarrollo de la sociedad, tal es el caso de la computación cuántica y la criptografía cuántica por mencionar solo algunos ejemplos.
Es importante señalar, que como resultado de este debate científico de búsqueda de conocimiento de frontera, Einstein, Bell, Clauser, Aspect y Zeilinger (personajes involucrados en este debate histórico), motivados por la pasión de descubrir, los llevó a investigar a detalle y en forma exhaustiva teórica y experimental las propiedades de los estados enredados; y que gracias a estas investigaciones el enredamiento cuántico se posiciona como un “recurso físico” sin precedentes para realizar diferentes tareas. Un recurso físico que como se mencionó tiene similitudes con el recurso físico de la Energía que actualmente mueve al mundo. Esto nos permite ratificar que sociedad que no sea capaz de producir y ver la importancia de este recurso físico es una sociedad que lamentablemente se quedará rezagada.
En la línea de tiempo (página 8 arriba) se resumen las contribuciones realizadas por estos investigadores, donde se puede constatar que cada científico realizó sus contribuciones en tiempos diferentes.
Por otra parte, los experimentos que estos científicos realizaron para desarrollar su investigación científica se pueden conceptualizar con el diagrama de la Figura 1. En el centro de la figura, en rojo, se representa a una fuente que es hecha de un cristal especial que emite pares de fotones enredados. También aparecen dos polarizadores (como los que se usan comúnmente en los anteojos para reducir la luz solar) que se emplean para medir la polarización de los fotones y cuatro detectores en azul rey que registran la llegada de los fotones individuales. Los cuatro detectores a su vez están conectados a un sistema electrónico que permite detectar y contar coincidencias en los detectores. Arreglos similares, con componentes ópticas, fueron usados por los tres investigadores galardonados con el premio Nobel. Un estado enredado de este tipo se escribe como el estado que aparece dentro de la Figura 1 y se representa por la ecuación: |ψ⟩=|↖⟩1 | ↗⟩2+| ↗⟩1 | ↖⟩2.
Figura 1. Esquema de los experimentos usados por Zeilinger, Aspect y Clauser. En Rojo está un cristal representan- do la fuente de fotones individuales, en azul rey están los detectores, los cables en verde llevan la información de los detectores al contador de coincidencias. La ecuación que aparece dentro de la figura representa al estado enredado de los fotones.
Cabe mencionarse que Alain Aspect es profesor del Institut d’Optique Graduate School, Francia, donde ocupa el puesto Augustin Fresnel chair. John Clauser es un físico estadounidense que generalizó las desigualdades de Bell, deduciendo las desigualdades conocidas como CHSH que son las más usadas para demostrar la no-localidad cuántica y Anton Zeilinger es un físico austriaco que además de realizar la prueba experimental de las desigualdades de Bell fue de los primeros en demostrar la teletransportación cuántica.
Finalmente, en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, desde la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, comprometidos con el desarrollo de nuestra sociedad estamos trabajando en estos campos de la ciencia, realizando investigación científica de frontera en enredamiento cuántico, donde entre otras cosas hemos investigado la existencia de no-localidad cuántica certificándola mediante las desigualdades generalizadas por Clauser, y en criptografía cuántica haciendo investigación en el análisis de protocolos de criptografía cuántica usando estados continuos, por mencionar solo algunos proyectos.
Twittear