Los 3 ganadores del Premio Nobel de Física y las desigualdades de Bell

Los eternos candidatos al Premio Nobel de Física reciben un muy merecido galardón. El francés Alain Facet (75 años), Univ. Paris-Saclay y École Polytechnique (Francia), el estadounidense John F. Clauser (79 años), Univ. California en Berkeley (EEUU), y el austriaco Anton Zeilinger (77 años), Univ. Vienna (Austria) reciben el galardón por sus experimentos con fotones entrelazados que mostraron la violación de las desigualdades de Bell y por ser los pioneros de la ciencia de la información cuántica. 

Tras la Paradoja EPR y las desigualdades de Bell 

El teorema de Bell, o desigualdades de Bell, se utiliza en mecánica cuántica para cuantificar matemáticamente las implicaciones de la paradoja de EPR: Einstein-Podolsky-Rosen, un experimento mental propuesto por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen en 1935. 

La paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen es uno de los ejemplos más famosos de la mecánica cuántica, que muestra cómo las leyes de la física cuántica pueden parecer contradictorias con la lógica y la intuición común. La paradoja se basa en la idea de que, según la mecánica cuántica, es posible que dos partículas estén ligadas de tal manera que cualquier cambio en una de ellas se refleje de inmediato en la otra, incluso si las partículas están separadas por grandes distancias. 

Esto va en contra de nuestra intuición común, ya que en la física clásica, el cambio en una partícula solo se puede transmitir a otra partícula a través de una fuerza, como la gravedad o el electromagnetismo, y esto toma tiempo. La paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen muestra que, en la mecánica cuántica, la información puede transmitirse instantáneamente entre partículas, lo que se conoce como "conexión cuántica".

EJEMPLO:

• Imaginemos que tenemos dos partículas, un electrón y un protón, que están ligadas de tal manera que cualquier cambio en una se refleja de inmediato en la otra.  

• Ahora, supongamos que separamos las partículas y las llevamos a dos lugares diferentes, uno en el extremo norte del planeta y otro en el extremo sur.  

• Si medimos el spin del electrón en el extremo norte y descubrimos que tiene un spin "arriba", sabremos de inmediato que el spin del protón en el extremo sur tiene que ser "abajo", y viceversa.  

• Esto va en contra de nuestra intuición clásica, ya que en la física clásica el cambio en una partícula solo se puede transmitir a otra partícula a través de una fuerza, como la gravedad o el electromagnetismo, y esto toma tiempo. 

• Sin embargo, en la mecánica cuántica, el cambio en el spin del electrón se refleja instantáneamente en el spin del protón, lo que se conoce como "conexión cuántica".  

• Esto es lo que se conoce como la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen.

La crítica de Einstein contra la interpretación no realista de la mecánica cuántica se sustanció en su famoso artículo EPR de 1935 (su artículo más citado), que llevó a John S. Bell a proponer en 1964 sus famosas desigualdades de Bell para una teoría clásica realista que la física cuántica debía incumplir. 

El teorema de Bell permite probar experimentalmente la paradoja. Lleva el nombre del científico norirlandés John S. Bell, quien lo introdujo por primera vez en 1964. El teorema es un importante resultado en la física cuántica que establece que ciertas predicciones de la mecánica cuántica son incompatibles con la teoría de la relatividad de Einstein y la visión clásica del mundo. 

En particular, el teorema de Bell establece que no es posible explicar todos los fenómenos cuánticos utilizando sólo variables locales, es decir, variables que están relacionadas solo con sistemas individuales y no con el conjunto del sistema. Esto significa que, de acuerdo con el teorema de Bell, algunos aspectos de la mecánica cuántica van en contra de nuestra intuición clásica y requieren una nueva forma de entender el mundo a nivel subatómico.

Para entender el teorema de Bell, primero hay que saber que, en la mecánica cuántica, las partículas subatómicas, como electrones o átomos, pueden estar "ligadas" de tal manera que cualquier cambio en una de ellas se refleje inmediatamente en la otra, incluso si las partículas están separadas por grandes distancias. Esto va en contra de nuestra intuición clásica, ya que en la física clásica, el cambio en una partícula solo puede transmitirse a otra partícula a través de una fuerza, como la gravedad o el electromagnetismo, y esto toma tiempo.

El teorema de Bell establece que, dado que la mecánica cuántica permite que la información se transmita instantáneamente entre partículas ligadas, no es posible explicar todos los fenómenos cuánticos utilizando solo variables locales. Esto significa que hay aspectos de la mecánica cuántica que van en contra de nuestra intuición clásica y requieren una nueva forma de entender el mundo subatómico. En otras palabras, el teorema de Bell nos muestra que nuestro entendimiento clásico del mundo no puede explicar todo lo que ocurre en el mundo subatómico.

Clauser, Facet y Zeilinger

Clauser realizó en 1972 el primer experimento que incumplía con dichas desigualdades de Bell (en su variante CHSH), pero tenía resquicios (loopholes). 

Facet propuso en 1975 un experimento para evitarlos, que realizó con éxito en 1982, aunque aparecieron más resquicios. 

Zeilinger demostró el teletransporte cuántico en 1997 y ha realizado gran número de experimentos para eliminar todos los resquicios. 

Hoy en día el entrelazamiento cuántico es una herramienta que todo el mundo usa en la ciencias de la información cuántica y de los ordenadores cuánticos.

El entrelazamiento es una de las características más fascinantes y esenciales de la mecánica cuántica. De hecho, permite que dos partículas separadas -aunque estén a kilómetros de distancia- estén conectadas de una manera que la física clásica no puede explicar.

John Clauser 

John Clauser, de 79 años, por su parte, nació en Pasadena, Estados Unidos. Es físico teórico y experimental y se conoce por fundar la empresa J.F. Clauser & Assoc. Según el Instituto Americano de Física (AIP por sus siglas en inglés) Clauser “desarrolló en 1976 la segunda prueba experimental en el mundo de predicciones del Teorema de CHSH-Bell. Lo hizo mientras trabajaba en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore”.

John Clauser, uno de los tres galardonados con el Nobel en Física 2022, realizó un experimento que demostró que la mecánica cuántica cumplía su predicción: se podía violar la desigualdad de Bell, y el entrelazamiento de estados cuánticos existía al medir las variables de cada estado. Su par Alain Aspect afinó las mediciones de los experimentos y Anton Zeilinger comenzó a usar los estados cuánticos entrelazados y hasta demostró la “teleportación”, que permite la “comunicación” de estados cuánticos entre partículas a grandes distancias.

Clauser se encargó de desarrollar las ideas de John Stewart Bell, por medio de un experimento práctico. “Demostró que la mecánica cuántica no puede ser reemplazada por una teoría que utilice variables ocultas”, añade el comité. Luego, Alain Aspect consiguió cambiar la configuración de la medición después de que un par entrelazado había dejado su fuente, por lo que la configuración que existía cuando se emitieron no podía afectar el resultado.

Alain Facet

Alain Facet nació en Agen, Francia. Es físico experimental y, recientemente, está como investigador asociado de la Universidad Paris-Saclay. Parte de sus estudios se han centrado en las teorías del físico irlandés John S. Bell, quien, por medio de su teorema, comprobó la postura del físico Niels Bohr en uno de los debates que tenía con Albert Einstein. Bohr señalaba que Einstein estaría en conflicto con la mecánica cuántica. Facet, de 74 años, también se ha centrado en el entrelazamiento cuántico.

Anton Zeilinger 

Anton Zeilinger, de 77 años, nació en Ried im Innkreis, Austria, y, recientemente, es investigador de la Universidad de Viena, además de ser el presidente de la Academia Austríaca de Ciencias, desde 2013. Sus áreas de investigación han sido la física, astronomía, los fundamentos de la física cuántica, la información cuántica y la óptica cuántica. Entre sus galardones están la Medalla de Isaac Newton y el Premio Internacional Rey Faisal de Ciencias.

Zeilinger, por medio de diversas herramientas y experimentos, usó los estados cuánticos entrelazados.

El premio Nobel

Según la academia sueca, este grupo de científicos puso los cimientos para “una nueva era” con “experimentos innovadores” y que dan acceso a “herramientas con un potencial inesperado”.

“Este grupo de investigación ha demostrado un fenómeno llamado teleportación cuántica, que hace posible mover un estado cuántico de una partícula a otra a distancia”, añade el comité.