Representación del entrelazamiento cuántico de dos partículas (local_doctor / Shutterstock)
El premio Nobel de Física de este año tiene una componente filosófica muy superior a lo habitual, ya que premia trabajos que han contribuido a confirmar la visión de un mundo indeterminista y la borrosa noción de realidad que se desprenden de la moderna física cuántica. Los físicos premiados son el francés Alain Aspect, el estadounidense John Clauser y el austríaco Anton Zeilinger.
La importancia de estos trabajos es difícil de explicar sin recurrir a algún tecnicismo, pero quien lo desee puede entender aquí lo necesario para valorar la inusual profundidad de unos descubrimientos que desde hace tiempo merecían el máximo galardón científico.
La historia empieza en 1926, cuando Schrödinger formula la ecuación que lleva su nombre inaugurando la mecánica cuántica moderna. Su trabajo establece un método para explorar de forma sistemática el mundo atómico y subatómico que sigue siendo la base de la investigación actual.
Fenómenos indeterminados
Un ingrediente esencial de la mecánica cuántica es que, a diferencia de la mecánica clásica, no permite predecir con seguridad el resultado de un experimento sino tan solo la estadística de los resultados posibles. Por ejemplo, la función de onda de un electrón en un átomo, que se calcula resolviendo la ecuación de Schrödinger, no nos permite saber dónde está el electrón sino tan solo la probabilidad de que esté en un punto u otro. El conocimiento de la función de onda nos permite predecir la estadística de resultados si repetimos muchas veces el experimento con electrones preparados en el mismo estado. Podemos afirmar que, en ese estado, la posición del electrón no está bien definida (o no tiene una realidad precisa) antes de medirla; tiene incertidumbre.
Esta interpretación probabilística disgustaba mucho a Einstein, quien se resistía a aceptar la nueva mecánica cuántica como definitiva, convencido defensor como él era del realismo y el determinismo. En 1935, junto con Podolsky y Rosen, propuso un experimento imaginario para argumentar que la mecánica cuántica tiene que ser incompleta salvo que uno esté dispuesto a llegar a conclusiones sorprendentes sobre la realidad. El tiempo no dio la razón a Einstein en este tema, pero, como veremos, sus objeciones obligaron a profundizar en conceptos que, décadas después, nos han llevado a la nueva ciencia de la información cuántica.
La mecánica cuántica formulada por Schrödinger hace casi un siglo incluye el principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual hay parejas de cantidades físicas (por ejemplo, X e Y) que no pueden estar bien definidas simultáneamente. Concretamente, el producto de sus incertidumbres tiene que ser mayor o igual que una constante universal. En particular, no es posible que las incertidumbres de X e Y sean cero a la vez.
Si en un estado con incertidumbre cero en X medimos la cantidad X, entonces podemos predecir el resultado, que será x o x’, según como lo hayamos preparado. Si la incertidumbre en X es distinta de cero, entonces solo podemos conocer la probabilidad con la que obtendremos x o x’. Lo mismo podemos afirmar de la cantidad física Y. Pero recordemos que X e Y no pueden estar bien definidas simultáneamente. Es decir, no es posible preparar un estado del que sepamos con antelación el resultado experimental tanto si medimos X como si medimos Y. Al menos una de las dos magnitudes físicas tiene que ser incierta.
Entrelazamiento de partículas a distancia
Otra importante propiedad de la mecánica cuántica es la posibilidad de que exista “entrelazamiento” entre dos partículas distantes pero con un origen común; por ejemplo, dos fotones (1 y 2) emitidos en direcciones opuestas tras el decaimiento de un átomo excitado. Es posible preparar los dos fotones de manera que ambos tienen incertidumbre en X e Y pero de forma correlacionada (X e Y son direcciones de polarización de la luz). En tal caso, al medir X en el fotón 1 podemos obtener x o x’, pero, una vez realizada la medida, sabemos con seguridad que, si hacemos la misma medida en el fotón 2, obtendremos el mismo resultado. Es decir, ambos fotones, 1 y 2, tiene un valor incierto de la cantidad física X, que puede valer x o x’, pero lo que es seguro es que tienen el mismo valor. Muy importante, lo mismo podemos decir de la magnitud física Y. De dos partículas entrelazadas podemos afirmar que, cualquiera que sea su nivel de realidad, esta no es independiente sino compartida.
Einstein no admitía el indeterminismo, pero sus agudas objeciones estimularon los trabajos que han acabado por confirmarlo
Lo sorprendente es que esta correlación se mantiene aun cuando las mediciones sobre los fotones 1 y 2 son tan distantes espacialmente que no tienen tiempo de influirse mutuamente. Alicia y Bob miden los fotones 1 y 2, respectivamente. Tras medir X, Alicia sabe lo que Bob va a obtener si también mide X, pero para Bob el resultado es incierto porque no ha tenido tiempo de enterarse de lo obtenido por Alicia. Podríamos pensar que ambos fotones llevan información sobre lo que deben responder si se les pregunta por la magnitud X.
El problema es que lo mismo se puede afirmar acerca de la magnitud Y, sin que los fotones sepan, al ser emitidos, si se les va a medir X o Y. Podríamos pensar que los fotones vienen equipados para cualquier contingencia poniéndose de acuerdo sobre lo que van a responder si les preguntan por X o Y. Pero eso es equivalente a suponer que ambos fotones tienen bien definidas ambas cantidades físicas, algo que, hemos dicho, está prohibido por el principio de incertidumbre.
Einstein propuso la solución de que la mecánica cuántica es incompleta porque existen “variables ocultas” que, de forma determinista pero oculta para nosotros, llevan la información necesaria para responder a cualquiera de las preguntas X o Y.
La mecánica más extraña es confirmada
Durante décadas se pensó que la existencia de variables ocultas era una cuestión meramente filosófica. De forma genial, en 1965 el físico norirlandés John Bell (1928-1990), demostró que podían diseñarse experimentos para los que la mecánica cuántica y las teorías (clásicas) de variables ocultas arrojan predicciones distintas. Concretamente, si se realizan muchos experimentos similares pero en los que los Alicia y Bob eligen medir X o Y de forma independiente, las teorías clásicas predicen correlaciones menores que una cierta cantidad, mientras que la mecánica cuántica predice correlaciones mayores; se dice entonces que la mecánica cuántica viola las desigualdades de Bell.
“Algunas de las cosas que descubrimos en la ciencia son tan impresionantes que he elegido creer” en Dios (Anton Zeilinger)
En 1972, Clauser realizó el primer experimento y, para su sorpresa, comprobó que las desigualdades clásicas se violaban; la extraña mecánica cuántica parecía tener razón. En una serie de experimentos que culminan en 1982, Aspect repite el experimento de Clauser pero asegurándose de que la decisión de medir X o Y se toma cuando los fotones ya han abandonado la fuente. De nuevo, el experimento confirma la mecánica cuántica. Tanto Clauser como Aspect realizaron esos difíciles experimentos ignorando el sentir general de que ese tema era propio de chiflados.
Tras una década de relativa oscuridad, en los años 90 el tema adquiere respetabilidad al ser abordado por grupos grandes y mejor equipados que apuntan a explotar las propiedades únicas de la nueva comunicación cuántica con fines de investigación básica y comerciales. Entre esos equipos destaca el grupo de Zeilinger, quien llegó a utilizar la comunicación visual directa entre los observatorios astrofísicos de Tenerife y La Palma, separados por 144 km. También Zeilinger realizó el primer experimento de teleportación cuántica. Más recientemente (2015), la contribución de investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona ha sido crucial para terminar de confirmar los descubrimientos premiados.
De la ciencia a la fe
El panorama resultante es que los experimentos esencialmente descartan las teorías de variables ocultas, inicialmente pensadas para salvar el determinismo y el realismo radical. La imagen que prevalece es la de una naturaleza fundamentalmente indeterminada en la que no toda la realidad está definida. Hay espacio para el libre albedrío y el concepto de realidad objetiva debe ser matizado. A la medición que revela un valor concreto de una magnitud previamente indefinida, Zeilinger la denomina “acto de creación elemental”. También él ha afirmado, cuando le han preguntado sobre Dios, que “algunas de las cosas que descubrimos en la ciencia son tan impresionantes que he elegido creer”.
Las coincidencias entre lo que miden los distantes observadores Alicia y Bob parecen ser el resultado de una comunicación instantánea, no limitada por la velocidad de la luz. Sin embargo, esta aparente comunicación superlumínica no genera paradoja alguna, ya que no sirve para intercambiar información útil entre Alicia y Bob. En particular, Alicia no puede informar instantáneamente a Bob sobre su decisión de medir X o Y.
Con independencia de la interpretación filosófica que estas observaciones puedan favorecer, es incuestionable que los trabajos de los tres investigadores premiados han puesto en marcha la llamada “segunda revolución cuántica”, basada en el uso fundamental del entrelazamiento cuántico, ese extraño concepto que repelía a Einstein pero que él más que nadie contribuyó a descubrir.
Fernando Sols
Universidad Complutense de Madrid