Entrelazamiento cuántico… El tema por el cual se ha otorgado el Premio Nobel en Física de este año, ¿proviene de una película de ciencia ficción? No, es física cuántica y ya se realizan experimentos que permiten, por ejemplo, la comunicación de sistemas de átomos, qubits o fotones a grandes distancias, abriendo un mundo de aplicaciones no tan lejanas. Docentes de física de Argentina cuentan por qué el Nobel se otorgó en este novedoso campo.

Fecha de publicación: 04/10/2022

Tres físicos recibieron la edición 2022 del Premio Nobel en Física por haber llevado de un planteamiento teórico, planteado por John Stewart Bell en la década de 1960, al terreno experimental que abre las puertas a todo un universo de aplicaciones de la física cuántica. Los galardonados son el francés Alain Aspect, el estadounidense John Clauser y el austríaco Anton Zeilinger, quienes recibieron el famoso llamado telefónico de la Fundación Nobel el martes 4 de octubre por la mañana.

Sensores mucho más sofisticados, computadoras más veloces y potentes, modos de enviar información encriptada más complejas son algunas de las tecnologías que ya se están desarrollando a partir de los aportes pioneros de los tres laureados. ¿Qué deparará el futuro? Docentes de física, que también investigan en el campo de la información cuántica, cuentan en esta nota, desde el Instituto Balseiro, en Bariloche, y del Departamento de Física de la UBA, Argentina, detalles de los aportes que esta semana consiguieron la atención de los medios del mundo.

En pocas palabras: ¿qué hicieron Aspect, Clauser y Zeilinger? Ellos lograron realizar con éxito experimentos de llamado “entrelazamiento de estados cuánticos, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica”, según anuncia la citada Fundación en su sitio web. En otras palabras, lograron desarrollar el conocimiento acerca de la naturaleza a niveles sorprendentes y también iniciar, así, aplicaciones que abren nuevas posibilidades en diversas áreas. ¿Pero hasta qué punto?

Pasos pioneros: ¿una sorpresa?

En el entrelazamiento de estados cuánticos, se establecen correlaciones entre dos o más partículas a pesar de que puedan estar espacialmente separadas. Así, si se mide el estado de una partícula, se puede determinar el estado de la otra sin tener que viajar, a pesar de que estén en distintos lugares. Esto abre las puertas a nuevas tecnologías de comunicación basadas en la mecánica cuántica.

Ante la consulta –vía correo electrónico– de si el anuncio del Premio Nobel en Física para Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger, realizada en la mañana del 4 de octubre, los sorprendió, la primera en responder es María José Sánchez, profesora del Instituto Balseiro, responde: “Confieso que Aspect era uno de mis candidatos, uno de los grandes postergados. Anton Zeilinger era otro gran esperado, dada la relevancia de los experimentos de su grupo vinculados a la teleportación cuántica”.

“Clauser ha hecho contribuciones importantísimas también desde la teoría junto con colegas como Horn, Shimony y Hot vinculadas a la reformulación de las desigualdades de Bell y al diseño de experimentos para testear las teorías basadas en variables ocultas locales”, agrega Sánchez, que es egresada de la Universidad de Buenos Aires (UBA) e investigadora del CONICET en el Centro Atómico Bariloche y en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (CNEA-CONICET). La científica trabaja en temas de control y manipulación de bits cuánticos basados en dispositivos y circuitos superconductores.

Por su parte, Augusto Roncaglia, profesor de la UBA, responde: “La verdad me pone muy contento por ellos, creo que la comunidad estaba esperando esta premiación. Los tres realizaron experimentos pioneros en el área, que contribuyeron a mejorar el entendimiento de los aspectos más antiintuitivos de la mecánica cuántica”.

“Allanaron el camino para el desarrollo de nuevas tecnologías como la criptografía cuántica y la computación cuántica”, destaca Roncaglia, que es investigador del CONICET en el Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA; de UBA-CONICET) y en el Departamento de Física (DF) de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FCEN) de la universidad porteña.

Leandro Tosi, docente del Balseiro, coincide: “Me parece que el Premio Nobel de este año era algo que tendría que haber ocurrido hace tiempo y celebro que haya llegado. ¡Y no es un momento cualquiera! El Nobel de este año premia los trabajos experimentales destacados y pioneros que demostraron la extrañeza de la mecánica cuántica, dando por tierra con interpretaciones basadas en variables ocultas u otros ingredientes a los que no se tiene acceso”.

“La demostración de la violación de las desigualdades de Bell por Alain Aspect fue de gran importancia para dar sustento experimental a uno de los principios más fundamentales de la mecánica cuántica: el entrelazamiento. Cuando digo que ya era hora, me refiero a que estos principios que fueron demostrados por los laureados, forman parte de libros de texto con los que aprendemos cuántica en la escuela”, agrega Tosi, que es investigador del CONICET.

Esos principios ya se utilizan en la actualidad, señala Tosi, para el desarrollo de dispositivos y tecnologías, como sensores y procesadores, así como para el intercambio seguro de información. “Zeilinger fue uno de los pioneros en emplear el entrelazamiento en protocolos de comunicación cuántica, demostrando la teleportación de información”, enfatiza Tosi, quien lidera el grupo de Circuitos Cuánticos dentro del Grupo de Dispositivos y Sensores del Centro Atómico Bariloche.

Para Christian Schmiegelow, profesor de la UBA, no fue tan sorpresivo el anuncio. “Un poco sí, otro no. Sí, porque ya parecía que no se lo iban a dar, hace años que son un conjunto de candidatos cantados y era raro que no lo hubieran recibido aún. Los tres, realizaron y/o propusieron experimentos que ampliaron el universo de lo posible en física cuántica”, comenta el físico.

“En particular, demostraron que puede haber correlaciones entre sistemas físicos, sean de átomos, fotones, electrones, etc., que exceden lo que podríamos imaginar intuitivamente, o como decimos, clásicamente. La teoría cuántica predice este tipo de comportamiento, pero, hasta que se hicieron estos experimentos, no era claro que la naturaleza fuera así, ni que esto sirviera para nada. Hoy no solo no queda duda, sino que estas ideas son la base de nuevas tecnologías en desarrollo”, explica Schmiegelow, que es investigador del CONICET y dirige el laboratorio de Iones y Átomos Fríos en el IFIBA, donde se realizan experimentos con átomos fríos, buscando controlar y manipular sus estados a nivel cuántico.

Segunda revolución cuántica

Albert Einstein, padre de la teoría de la relatividad general, si bien se “peleaba” con la interpretación de los fenómenos cuánticos, sumó ideas junto a Podolsky y Rosen para pensar la mecánica cuántica (Ver columna de opinión: "Un . En ese contexto histórico, varias décadas después, John Stewart Bell propuso un teorema para probar las predicciones más profundas de esta nueva fìsica. Planteó lo que hoy se conoce como “la desigualdad de Bell”, donde hacía referencia a la correlación entre partículas a la distancia. La pregunta era si la misma se debía a “variables ocultas” (que luego se podían conocer) dentro de ciertos parámetros. O si era algo todavía más extraño y sólo se podía conocer una vez que se medía cada estado de las partículas.

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.

Ahora bien, ¿cuál es la aplicación tecnológica más novedosa debido a su potencial alto impacto a futuro? Esa misma pregunta se realizó a Sánchez, Roncaglia y Tosi.“Los experimentos pioneros de Aspect, sofisticados y súper difíciles, además de establecer la violación de las desigualdades de Bell fueron disruptivos dado que mostraron tanto la preparación como la manipulación de estados entrelazados con un nivel de control sin precedentes”, pone en contexto la física María José Sánchez. Agrega que si bien él utilizó “fotones”, en la actualidad también se realizan experimentos manipulando estados entrelazados en sistemas de iones atrapados, átomos fríos y circuitos cuánticos basados en superconductores.

“Zeileinger y su grupo de Viena dieron un paso ‘tecnológico’ impresionante al mostrar experimentalmente por primera vez la teleportación cuántica, llegando a teleportar pares de fotones entrelazados entre lugares separados ¡más de 100km! La teleportación y la encriptación cuánticas son cruciales para el desarrollo de sistemas de seguridad infranqueables, por ejemplo”, agrega Sánchez. Y comenta que el entrelazamiento junto con la superposición de estados son los ingredientes esenciales de la mecánica cuántica en los que se basan las tecnologías de la llamada “Segunda revolución cuántica”.

Roncaglia adhiere a la idea, ya que indica que la aplicación inmediata que se deriva de estos experimentos se encuentra relacionada con la comunicación cuántica, donde se utilizan por ejemplo fotones entrelazados para establecer vías de comunicación seguras por medio de encriptación cuántica. “Este tipo de redes seguras serán necesarias en un futuro, ya que el desarrollo de computadoras cuánticas pondría en riesgo la seguridad en las comunicaciones. En este sentido, actualmente varios países del mundo destinan una gran cantidad de fondos para desarrollar este tipo de canales de comunicación”, describe el físico.

Para Tosi, en la actualidad se está viviendo en la Era de las tecnologías cuánticas, en sintonía con lo señalado por Sánchez. “Así como la comprensión del comportamiento del mundo microscópico dio lugar a desarrollos tan fundamentales como el transistor o el láser, cambiando así la vida de todas las personas para siempre, la aplicación de principios fundamentales de la mecánica cuántica, como la superposición de estados o el entrelazamiento, está dando lugar a nuevos dispositivos que no tienen un análogo con algo cotidiano y en ese sentido es sumamente disruptivo”, afirma el científico.

“Creo que esto va a tener implicaciones en el desarrollo del sensado cuántico, de la computación y de las comunicaciones cuánticas, con consecuencias en la salud, la alimentación y la industria en general”, dice Tosi.

Schmiegelow comenta que la tecnología que ya está siendo aplicada, en ensayos controlados, es la comunicación cuántica. “Ésta da la posibilidad de realizar comunicación segura entre dos partes, de modo físicamente inviolable.
Siguiendo, la que tiene más potencial transformador aún por ser descubierto es la computación cuántica. Aún no sabemos bien hasta dónde llegarán sus usos y aplicaciones”, dice el científico.

Investigaciones en Argentina

Siempre cuando hay anuncios como el Premio Nobel en Física, puede haber personas que se pregunten: “¿Y en Argentina también se investiga en este campo?”. Por eso, desde el Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro se les planteó ese interrogante a quienes participan como fuentes invitadas en esta nota.

“En Argentina hay varios grupos trabajando en temas muy vinculados. Desde la teoría se realizan investigaciones tanto en fundamentos de la mecánica cuántica, como en computación cuántica y aplicaciones vinculadas, por ejemplo, a posibles implementaciones experimentales de protocolos de comunicación cuántica”, informa Sánchez. “En nuestro grupo, en el Centro Atómico Bariloche o CAB, hace más de 15 años que investigamos en temas de control y manipulación de bits cuánticos o qubits y a la generación de estados entrelazados a partir de dispositivos o circuitos superconductores de estado sólido”, dijo la física. Y destacó los esfuerzos experimentales que se están haciendo en el CAB en el diseño de experimentos con este tipo de dispositivos, con su colega Leandro Tosi como líder.

Roncaglia cuenta que en el Laboratorio de Óptica y Fotónica en la FCEN UBA y en la División Óptica Cuántica del DEILAP CITEDEF se trabaja con fuentes de pares de fotones para uso en comunicaciones y procesamiento cuántico de la información. Schmiegelow agrega una anécdota: “En 2009, durante mi época de doctorado, junto con Mónica Aguero, en CITEDEF, medimos por primera vez las desigualdades de Bell en Argentina, reproduciendo los experimentos de los hoy galardonados. Mónica realizaba su doctorado con Alejandro Hnilo y yo con Miguel Larotonda. Hoy en CITEDEF, Miguel continúa dirigiendo el Laboratorio de Óptica Cuántica, donde se han desarrollado y demostrado varios sistemas prototípicos para realizar comunicaciones cuánticas. Hoy hay unos cinco o seis laboratorios que trabajan en Argentina con técnicas afines que la utilizan tanto para física básica como para aplicaciones”, describe.

Tosi, que conoció a Aspect en una conferencia durante su posdoctorado en Francia, complementa: “En Argentina tenemos una fuerte tradición en mecánica cuántica desde lo teórico. Desde el punto de vista experimental diría que es más incipiente pero que están todos los elementos para hacer desarrollo de excelente nivel”. Destaca asimismo el trabajo que se realiza en Buenos Aires y comenta que en Córdoba y Bariloche son destacables los experimentos con espines, a través de la resonancia magnética nuclear; como plataforma para estudios de información cuántica. “En Bariloche hay también un grupo de óptica estudiando la interacción entre luz y materia en sistemas opto-mecánicos y un grupo incipiente de circuitos cuánticos para el desarrollo de procesadores cuánticos basados en qubits superconductores”, agrega.

Una novedad es que el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Argentina lanzó de forma reciente un “Programa de Fortalecimiento de las Ciencias y Tecnologías Cuánticas” que busca que Argentina sea protagonista en esta segunda revolución cuántica. A través del mismo, se buscará instalar nuevos laboratorios de investigación y desarrollo en este campo, contratar a expertos y jóvenes investigadores, además de realizar la adquisición de equipamiento, entre otros objetivos.

Con todo, hace pocos días se realizó la 107º reunión de la Asociación Física Argentina o AFA. En esta edición, la reunión tuvo lugar en el Balseiro y el Centro Atómico Bariloche. Jóvenes y no tan jóvenes de todo el país, e incluso invitados de otras naciones, se apasionaron y compartieron ideas y risas mientras recorrían salones con charlas, pósters y presentaciones. La información cuántica y el famoso “entrelazamiento”, que nada tiene que ver con esoterismos o ficciones, fueron solo una temática del encuentro, que es a su vez un abanico de lo que se investiga en el mundo. ¿A quién se elegirá en 2023?

Por Laura García Oviedo / Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro

*Importante para medios de comunicación o canales de comunicación institucionales: Pueden reproducir esta nota en forma total o parcial, por favor, mencionando la fuente y la firma.

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COLUMNA

Un fenomenal desafío intelectual

Por Carlos Balseiro*

"El Premio Nobel 2022 refleja el fenomenal desafío intelectual y técnico que se presentó con la llegada de la Mecánica Cuántica. ¡Una aventura de más de un siglo!!!! 

La mecánica cuántica nace a principios del siglo XX, y en la década del 20 se avanza en la formulación de la teoría que plantea nuevos paradigmas y nuevas formas de interpretar la naturaleza con profundas implicancias, incluyendo aspectos filosóficos.

En 1935, Einstein y sus colaboradores Podolsky y Rosen escriben un trabajo en el que proponen un experimento pensado que pone de manifiesto las dificultades que se plantean con la nueva teoría. El trabajo -conocido como EPR por las iniciales de los autores- introduce la idea de entrelazamiento de partículas, que viola el principio de localidad y es por lo tanto difícil de aceptar. Un par de partículas entrelazadas consiste en partículas correlacionadas de tal forma que cada una tiene algún efecto sobre el estado de la otra aunque se encuentren a grandes distancias, por eso se habla de no-localidad. La idea de los autores es que si bien la mecánica cuántica puede hacer una excelente descripción de la naturaleza, su interpretación es esquiva. Einstein concluye que la teoría es incompleta y para superar este aparente inconveniente proponen la existencia de variables ocultas, que si bien no estarían a nuestro alcance, restablecen la naturaleza local y determinista del mundo microscópico.

Debieron pasar 30 años, toda una generación de físicos, hasta que en 1964 el físico irlandés John Bell presenta un trabajo con lo que hoy conocemos como el teorema de Bell o las desigualdades de Bell. En ese trabajo describe ciertos experimentos basados en el estudio de pares de partículas entrelazadas y concluye que en un mundo con variables ocultas locales ciertas cantidades estadísticas deben estar acotadas, es decir cantidades que deben ser menores que una cota bien establecida: estas son las desigualdades de Bell. Si los experimentos violaran las desigualdades de Bell, deberíamos descartar la existencia de variables ocultas y aceptar que la naturaleza es más extraña que lo que nos dicta nuestro sentido común. Sería la confirmación final de la teoría.

Los trabajos de John F. Clauser y Alain Aspect fueron pioneros en el estudio experimental de fotones entrelazados con los que se pudo demostrar que se violan las desigualdades de Bell, es decir que se pudo demostrar la naturaleza no local de las leyes que gobiernan el mundo microscópico. En otras palabras, se pudo demostrar que una acción en un lugar dado puede tener un impacto instantáneo en lo que ocurre en otro lugar muy alejado. La contribución de Anton Zeilinger fue usar estos pares entrelazados para el transporte de información cuántica: la teletransportación, que de hecho es la única forma de transmitir información cuántica de un punto a otro.

Estos trabajos no solo han permitido comprobar predicciones teóricas fundamentales. Han abierto las puertas de todo un nuevo mundo de tecnologías cuánticas."

*Ex Director del Instituto Balseiro. Doctor en Física egresado y docente del Instituto Balseiro (CNEA-UNCUYO). 

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Noticias vinculadas: 

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Nota principal: Por Laura García Oviedo

Área de Comunicación Institucional y Prensa del Instituto Balseiro

Crédito imagen: Crédito imagen: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences 

San Carlos de Bariloche, 04/10/2022

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