El entrelazamiento cuántico y el Nobel de física de 2022 (1)
El entrelazamiento cuántico y el Nobel de física de 2022 (1)
En el mundo a escalas minúsculas de energías de interacción (atómicas), similares a las energías propias de los sistemas, estos se suelen caracterizar por sus estados, lo que es equivalente a decir que tienen unos ciertos valores de unas ciertas variables como energía, posición y velocidad (o cantidad de movimiento), cada una con sus incertidumbres correspondientes. En las escalas digamos, humanas, también se puede hablar de los estados de un sistema, de un cuerpo.
Pero en el mundo de escala humana, donde las energías de interacción son muy pequeñas con respecto a las energías propias de los sistemas, el concepto de “estado” no suele utilizarse tanto. Es sobre todo en los sistemas atómicos, con energías discretas y saltos entre ellas mismas, donde más se utiliza el concepto de estado y pasos de un estado a otro. En los sistemas de pequeñas energías de interacción, el concepto de estado de energía es de hecho superfluo. Los sistemas (los cuerpos) cambian de energía al pasar de un estado a otro similar.
El Nobel de física de 2022 se ha concedido a tres investigadores en física experimental, Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeillinger, por sus trabajos con estados cuánticos entrelazados, usualmente con estados de polarización de pares de fotones, es decir, de grupos de ondas electromagnéticas o luz.
Estos trabajos derivan de una propuesta que realizó Boris Podolsky, entonces colaborador de Einstein en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton. Einstein realmente no quería publicar ese trabajo, pero Podolsky lo incluyó entre los autores, y Einstein no rechazó la inclusión cuando el articulo estaba ya publicado. El trabajo se conoce como la paradoja EPR. En él se demuestra que la Mecánica cuántica, o no es completa, o no describe correctamente la realidad. La base de la argumentación es que en un sistema consistente de dos subsistemas entrelazados, la medida del estado de uno de ellos, según la Mecánica Cuántica, debe determinar instantáneamente el estado del otro subsistema, aunque haya finalizado la interacción y ambos subsistemas se encuentren a gran distancia uno del otro. Puesto que Podolsky pensaba que esto no podía ocurrir, la consecuencia era que la Mecánica Cuántica no era completa y precisaba de otras variables desconocidas (“ocultas”).
De hecho, según la Teoría de la Relatividad del mismo Einstein, es imposible que la información se propague de unos sistemas a otros de manera instantánea.
En 1964, John Bell enunció y demostró un teorema que señala la diferencia entre el cálculo de correlaciones entre dos subsistemas entrelazados si ese cálculo se realiza a la manera cuántica y si se hace de la forma clásica con variables desconocidas. Desde entonces varios laboratorios de física han venido investigando de manera experimental esas correlaciones, y han señalado que el resultado cuántico es correcto, lo cual era de esperar, ya que el razonamiento de Bell sobre el cálculo «clásico» merece un análisis muy detallado.
Aquí hay dos cosas que es preciso analizar. Una es un problema generalizado de la Mecánica Cuántica, y es el lenguaje que utiliza. El segundo es un análisis a fondo de cómo se realizan los experimentos.
El primer problema es el mismo que el del “Gato de Schroedinger”. En una interpretación ingenua de la Mecánica Cuántica, el gato dentro de la caja está realmente vivo y muerto, en una superposición de estados, y podemos cambiarlo de un estado a otro al medir el sistema, es decir, al levantar la tapa de la caja. De hecho el gato esta en uno de los dos estados y lo único que hacemos nosotros al abrir la caja es obtener información sobre el estado final del gato.
Si en vez un gato nos referimos a un electrón, en la Mecánica Cuántica se asume que antes de una medida está en una superposición de todas las energías posibles, y solo adquiere una concreta de ellas cuando realizamos la medida sobre el mismo.
De hecho, un estado (de energía, por ejemplo) es un vector de un espacio vectorial, y puede representarse como suma de coordenadas con las amplitudes correspondientes. Pero un estado de posición de un avión, por ejemplo, es una suma de las tres coordenadas espaciales, que se escriben usualmente como (x,y,z). Es claro que esa posición, si no sabemos dónde está el avión, es una mezcla de todos los valores posibles de las coordenadas, y solo adoptará un valor concreto cuando hagamos una medida.
La posible diferencia en la Mecánica Cuántica entre una mezcla y una superposición (entrelazamiento) de estados deriva, casi exclusivamente, del experimento de la interferencia de un electron al pasar por dos rendijas de una pantalla e incidir sobre otra pantalla. La interpretación habitual es que al salir el electrón de la primera pantalla se encuentra en dos estados superpuestos o entrelazados, y estos estados interfieren uno con el otro. Salvo por Alfred Landé, nunca se ha analizado el paso por las rendijas mediante la interacción del electrón con la red cristalina o metálica donde se han hecho las mismas, por lo que la denominación de estados superpuestos puede, al menos, debatirse.
Pero lo mas importante de los experimentos de los premiados con el Nobel de 2022 está en cómo se realizan esos experimentos, algo que no se suele comunicar a los lectores, a los que se les dice, normalmente, que los mismos demuestran la teleportación, haciendo un llamamiento típico del siglo XXI a la magia de la ciencia.
Seguiré el próximo día.