¿Entrelazamiento de estados cuánticos? Docentes del Balseiro explican el Nobel de Física 2022

Investigadoras e investigadores de física en la Argentina cuentan por qué el Nobel se otorgó en este novedoso campo de la física cuántica.

¿Entrelazamiento de estados cuánticos? Docentes del Balseiro explican el Nobel de Física 2022

Imagen: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

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Publicado el 04 DE OCTUBRE DE 2022

Entrelazamiento cuántico… El tema por el cual se ha otorgado el Premio Nobel en Física 2022, ¿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, cúbits o fotones a grandes distancias, lo que abre un mundo de aplicaciones no tan lejanas. Docentes de física de Argentina cuentan por qué el Nobel se otorgó en este novedoso campo.

Tres físicos recibieron la edición 2022 del Premio Nobel en Física por haber ido de un planteamiento teórico, presentado 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, que 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, y modos de enviar información encriptada más complejos 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, dos partículas de un sistema se siguen comportando dentro de este, a pesar de estar alejadas, y se puede influir en ellas. Así, si se mide el estado de una partícula, se conoce o se logra incluso influir en el estado de la otra sin tener que viajar, aunque estén separadas por la distancia. Esto derivó en una nueva tecnología, la información cuántica, que abre las puertas de numerosos campos tecnológicos.

Ante la consulta –vía correo electrónico– sobre si el anuncio del Premio Nobel en Física para Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger, realizado en la mañana del 4 de octubre, los sorprendió, la primera en responder es María José Sánchez, docente del Instituto Balseiro: “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 tuvo contribuciones importantísimas desde la teoría, junto a colegas como Horn, Shimony y Hot, vinculadas a la reformulación de las desigualdades de Bell y al diseño de experimentos plausibles para testear las teorías basadas en variables ocultas locales”, agrega Sánchez, egresada de la Universidad de Buenos Aires (UBA) e investigadora del Conicet en el Centro Atómico Bariloche. 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, aporta: “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, en el Departamento de Física (DF) de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 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, y en demostrar la teleportación de información”, enfatiza Tosi, que 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, donde se realizan experimentos con átomos fríos, en la búsqueda de 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 Podolski y Rosen para pensar la mecánica cuántica. En ese contexto histórico, varias décadas después, John Stewart Bell propuso un teorema para probar las predicciones más profundas de esta nueva física. 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 esa correlación se debía a “variables ocultas” (que luego se podían conocer) dentro de ciertos parámetros, o si era algo todavía más extraño y solo 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, mientras que 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 por su potencial alto impacto a futuro? Esa pregunta se les hizo a Sánchez, Roncaglia y Tosi. “Los experimentos pioneros de Aspect, sofisticados y superdifíciles, además de establecer la violación de las desigualdades de Bell, fueron disruptivos porque 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, los experimentos también se realizan 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, y llegaron 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. Comenta también que el entrelazamiento y 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”, que incluye todos los algoritmos de la computación 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. “Redes seguras de este tipo 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, y cambió 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 sensado cuántico, en el cálculo dentro de la computación cuántica y en las comunicaciones cuánticas, con consecuencias en la salud, la alimentación y la industria en general”, avizora Tosi.

Schmiegelow comenta que la tecnología que ya está siendo aplicada en ensayos controlados es la comunicación cuántica. “Esta 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

Cada nuevo anuncio del Premio Nobel en Física es disparador de una pregunta: “¿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 numerosos 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 Bariloche, hace más de 15 años que investigamos en temas de control y manipulación de bits cuánticos o cúbits y 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 Centro Atómico Bariloche en el diseño de experimentos con este tipo de dispositivo, con 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. De hecho, en un grupo que nació hace poco allí, se hacen experimentos con iones atrapados, que es una de las plataformas para hacer simuladores cuánticos.

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 tiene como anécdota propia haber conocido a Aspect en una conferencia durante su Doctorado 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 optomecánicos y un grupo incipiente de circuitos cuánticos para el desarrollo de procesadores cuánticos basados en cúbits superconductores”, agrega.

Una novedad es que el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Argentina lanzó recientemente el “Programa de Fortalecimiento de las Ciencias y Tecnologías Cuánticas”, que busca que Argentina sea protagonista en esta segunda revolución cuántica. A través del programa, 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 puntos.

Con todo, hace pocos días se realizó el 107.º Congreso 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?

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

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