Embrujo cuántico

Muy Interesante México|Julio - 2020

Embrujo cuántico
¿Dos partículas que se afectan la una a la otra, por muy lejos que estén, sin que exista ninguna interacción física entre ambas? ¡Magia! No: entrelazamiento cuántico. Experimentos recientes demuestran que Einstein se equivocaba y prometen un nuevo mundo de posibilidades tecnológicas.
Por Miguel Ángel Sabadell

En julio de 2019, físicos de la Universidad de Glasgow (Escocia) lograron algo que se intentaba conseguir desde hacía medio siglo: obtener una prueba visual, una fotografía, del mayor misterio de la física, un fenómeno tan extraño que Albert Einstein lo describió como una “fantasmal acción a distancia”. Hablamos del entrelazamiento, suceso que aparece cuando dos partículas quedan unidas de manera inextricable y misteriosa, y lo que le sucede a una afecta de inmediato a la otra, independientemente de lo separadas que estén. La imagen obtenida por el equipo de Glasgow –en realidad se trata de una composición de diversas imágenes; la encontrarás en la siguiente página– es la primera en la que podemos observar el entrelazamiento de dos fotones, dos partículas de luz.

Para ello, los investigadores separaron las parejas de fotones enredados, y mientras que a una mitad la hicieron atravesar una serie de cuatro filtros de cristal líquido hechos de borato de bario beta –lo que provocó que sufriera cuatro cambios en su estado–, a la otra mitad la dejaron viajar sin atravesar esos filtros. Aquí viene lo fascinante del asunto: sin pasar por el colador, estos últimos fotones también experimentaron los mismos cuatro cambios en su estado. ¿Por qué? Nada más porque sus correspondientes parejas enredadas así lo hicieron. Las imágenes muestran que ambos grupos de fotones habían cambiado de la misma forma a pesar de estar separados... ¡y de manera instantánea! ¿Estamos ante una violación de una de las leyes más sacrosantas de la física, la que dice que nada, ni siquiera la información, es capaz de viajar a mayor velocidad que la luz? Si no es así, ¿cómo le comunica un fotón a otro que está cambiando de estado?

Un mundo difícil de comprender

No es raro que el universo cuántico nos provoque dolor de cabeza. Decir que es extraño y contraintuitivo a nuestra experiencia cotidiana es quedarnos cortos. Uno de los ejemplos más claros es el llamado efecto túnel: imaginemos que lanzamos pelotas de tenis contra un muro. Según la teoría cuántica, hay una probabilidad no nula de que una de las pelotas desaparezca misteriosamente justo al llegar a la pared y aparezca de inmediato al otro lado.

En la física cuántica, que explica el mundo subatómico, la probabilidad manda de forma fundamental. No es como en el resto de las ramas de la ciencia, en las cuales no existe ninguna teoría que nos diga que no podemos conocer alguna variable con el nivel de precisión que queramos y la probabilidad representa una falta de conocimiento, no una propiedad fundamental de la naturaleza. La teoría cuántica expresa que jamás, por mucho empeño que le pongamos o por muy bueno que resulte nuestro instrumental para realizar medidas, vamos a lograr conocer el valor de cierta variable analizada por debajo de un nivel mínimo de incertidumbre..

Aceptar esto fue muy duro para el gran físico del siglo XX, Albert Einstein, para quien la naturaleza debía estar bien definida, y que la teoría cuántica hablase de probabilidades intrínsecas era una advertencia de que no estaba completa, de que tenían que existir unas variables ocultas bajo la piel de la teoría que, si las conociéramos, nos permitirían eliminar esa incertidumbre. Así que, durante las décadas de 1920 y 1930, Einstein se dedicó a poner minas en el camino cuántico para intentar demostrar que era una senda equivocada. Sin embargo, esas minas iba desactivándolas –con mucho esfuerzo– otro grande de la física, el danés Niels Bohr.

De cualquier modo, Einstein no aflojaba, y en 1933, durante el Congreso Solvay –que se convocaba desde 1911 para que las mayores mentes de la física discutieran sus ideas–, formuló esta pregunta: “¿Cómo puede el estado final de una partícula verse influido por una medida llevada a cabo en otra después de que haya cesado toda interacción física entre ellas?”. Una cuestión que dos años más tarde iba a desencadenar una tormenta perfecta.

Einstein pidió ayuda al ruso Boris Podolsky y al israelí Nathan Rosen para escribir la que sería la más dura andanada contra el corazón de la teoría cuántica. En el número del 15 de mayo de 1935 de la revista Physical Review apareció el artículo titulado “¿Puede considerarse completa la descripción mecanocuántica de la realidad?”, donde describían un experimento mental con el que daban a entender que la teoría cuántica era incompleta y, por tanto, que jamás podría ser una descripción de la realidad: desde entonces se le conoce como la paradoja EPR (por Einstein-Podolsky-Rosen).

Sacudida profunda

El golpe en la comunidad científica fue intenso. En Zúrich (Suiza) uno de los padres de la teoría cuántica, el físico teórico austriaco Wolfgang Pauli, estaba furioso: “De nuevo Einstein se ha expresado públicamente sobre la teoría cuántica... Cada vez que sucede es una catástrofe”. Erwin Schrödinger, otro de los grandes de la cuántica, escribió a Einstein: “Has agarrado a la mecánica cuántica dogmática por el cuello”. Pero quien más sintió el golpe fue Bohr. Tras leer el artículo se marchó profundamente abatido a casa. Abandonó todos sus proyectos para dedicarse en cuerpo y alma a contestar al artículo de Einstein que, dicho sea de paso, se ha convertido por derecho propio en uno de los más importantes de la historia de la física.

La propuesta era brillante. Si queremos entenderla debemos hacer una pequeña digresión para comprender las peculiares características del mundo subatómico, y para ello seguiremos la analogía propuesta por el premio Nobel de Física, Frank Wilczek, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, o MIT (EUA). Imaginemos que vivimos en un mundo donde un sistema se define a partir de dos tipos de objetos: cuadrados y círculos, que representan los dos posibles estados de un sistema. De modo que, si tenemos dos sistemas unidos, encontramos estas posibles combinaciones de estados: círculo-círculo, círculo-cuadrado, cuadrado-círculo y cuadrado-cuadrado. Como todas son igualmente probables, tenemos 25% de posibilidades de que los encontremos en alguna de esas combinaciones. Ahora viene un aspecto muy importante: mientras no los midamos, ambos sistemas se definen como una mezcla equiprobable de los cuatro estados posibles; sólo al medir haremos que el sistema colapse en uno de los cuatro.

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