Omar Fojón es docente-investigador de la Universidad Nacional de Rosario y el Instituto de Física de Rosario (UNR.IFIR.CONICET). Además de doctor en Física, Omar es un ávido lector interesado en temas filosóficos, por lo cual era el candidato ideal para charlar sobre el reciente premio Nobel de Física 2022. El mismo fue otorgado a Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger “por experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell liderando la ciencia de la información cuántica” según consta en la página del premio. Hablar de este galardón en particular, como hablar de la ciencia en general, no es solo conversar sobre avances específicos sino explorar el contexto histórico y social en el que ese avance ocurre. Así, este premio Nobel tiene una historia que comienza en el siglo XX e involucra a varios nombres muy conocidos en el mundo científico algunos de los cuales han trascendido a la cultura popular.
Nacen el siglo XX y la mecánica cuántica
Y en el principio de la mecánica cuántica fueron Einstein, Planck y Bohr como nombres destacados. Omar nos cuenta sobre el rol que estos científicos jugaron en aquellos primeros tiempos.
Como sucede con el Nobel, se premian avances en un campo que comenzó a desarrollarse hace largo tiempo.
El premio está vinculado con la mecánica cuántica, la cual comienza a desarrollarse en el siglo pasado. Todo empieza en 1900 con Max Planck quien fuera premio Nobel de Física en 1918 por establecer y desarrollar la teoría de los cuantos elementales. Pero hacia 1927, como mucho 1930, el formalismo ortodoxo, el que usa ahora todo el mundo para cálculos, ya estaba establecido. Esto generó una verdadera revolución científica, hubo un cambio de paradigma.
¿Esto vino acompañado con cambios en la sociedad?
Así es, aparece una revolución en la sociedad. Si vos mirás lo que nos rodea hoy y lo comparás con lo que sería una foto de 1900 las diferencias son claras. Hoy en día tenés materiales sintéticos, plástico, computadoras y teléfonos que no existían en 1900. Si uno mira las eras de la Humanidad, tanto la Edad Antigua como la Media duraron cientos de años. De repente, el mundo cambió en 100 años y en eso tuvo que ver la cuántica porque con ella se explica todo el universo de átomos y moléculas desde los cuales podés fabricar nuevos compuestos y dispositivos como los transistores. Y con estos se abre el mundo de los chips, circuitos integrados y llegamos a la computadora. Esto se da a un ritmo vertiginoso en lo que es la primera revolución cuántica.
El paradigma cuántico es aceptado porque funciona en todo el mundo.
Es el mismo formalismo ya sea que trabajes en Rosario, Córdoba, EE.UU. o China. Es como si vos ingresás tus datos, aplicás la maquinita cuántica y te da el resultado. Hasta ahora, en 100 años no ha habido ninguna experiencia que contradiga lo que dice la cuántica. Es la teoría más contrastada que elaboró el ser humano. Como si hicieras un censo de toda la población mundial y te equivocaras en menos de una persona. Tal es el nivel de precisión de lo que predice la cuántica.
Funciona pero por otro lado la interpretación es un poco difícil.
El gran problema que tiene es la interpretación que es muy rara y va en contra del sentido común. Sobre todo el sentido común que daba la mecánica clásica, el electromagnetismo clásico y demás. Por eso hay detractores, entre ellos el propio Einstein. Él ayudó a fundar la cuántica, porque para explicar el efecto fotoeléctrico tuvo que aceptar que estaban los cuantos de luz, que después fueron llamados fotones. Luego se empieza a alejar del formalismo cuántico porque no le gustaba que fuera probabilístico, que tuviera ese elemento estadístico.
A diferencia de la mecánica clásica.
Claro. La mecánica clásica es determinista y tiene un carácter que te permite tener certeza del movimiento de una partícula, en qué posición va a estar y con qué velocidad. La mecánica cuántica dice que no lo sabe y surge un principio de incerteza de la posición y la velocidad. De ahí la famosísima frase, que supuestamente Einstein escribió en una carta, “Dios no juega a los dados”, aludiendo a la probabilidad. Él creía que el universo fue creado por alguien de manera perfecta y que cuando uno recurre a la estadística, la probabilidad, es porque tenés un conocimiento imperfecto de las cosas.
¿Y de qué manera Einstein se escapaba de esa probabilidad molesta para él?
Él pensaba que podría haber algunas variables ocultas, que no conocemos todavía y que a lo mejor, si uno toma este formalismo cuántico tan probabilístico y lo suplementa con estas variables, quizás recuperamos esa certeza que se pierde.
Entonces hasta 1927, Einstein hacía los famosos experimentos mentales donde atacaba la mecánica cuántica, sobre todo el principio de incerteza. Imaginaba experimentos y decía, si pasa tal cosa entonces tal otra, y venía Bohr, que era el padre de la cuántica ortodoxa, y le decía que se equivocaba por tal o cual razón.
Einstein era partidario de una realidad más concreta por así decirlo.
Einstein no era partidario de esa visión idealista de que la realidad la creo yo con mi pensamiento, sino que había una realidad externa a nuestra mente. Si yo no estaba midiendo o detectando un objeto igual sigue existiendo. Él planteaba que la cuántica no permitía eso y en 1935 escribe un artículo donde da el ejemplo de la famosa paradoja EPR que es simple: una colisión de dos partículas como si fuera un choque de bolas de billar con desvío de sus trayectorias.
Como la cuántica tenía tanto éxito explicando todo, átomos, moléculas hasta las bombas nucleares, entonces ese artículo de Einstein queda durmiendo el sueño de los héroes. Bohr le responde que a veces un objeto se manifiesta como onda y a veces como partícula y esto es lo que hace que en el mundo de las partículas el concepto de realidad cambie por lo cual nos estamos enfrentando a algo distinto. La mayoría de la comunidad científica consideró que, dado el éxito de la cuántica, Einstein tenía que cesar en sus críticas. Y así fue hasta 1966.
La segunda revolución cuántica
Hablemos de los aportes de Zeilinger.
Zeilinger gana el premio Nobel por muchas razones. Todo esto empieza a constituir lo que llamo la segunda revolución cuántica que es la que está empezando a ocurrir en este siglo. No por un cambio de paradigma, ya que seguimos teniendo la mecánica cuántica del siglo pasado. Pero estas consecuencias o conclusiones más raras que uno puede sacar de la cuántica, están empezando a entrar en el campo de la tecnología.
Lo que hace Zeilinger es utilizar todas estas propiedades raras que tiene la mecánica cuántica, en particular una que se refiere a los estados entrelazados. A Einstein no le gustaba esto porque violaba las condiciones de localidad, porque no puede ser que una interacción viaje más rápido que la velocidad de la luz de acuerdo a la relatividad. Pero esto ocurre en el mundo cuántico con los estados entrelazados. Lo que salva todo esto es que no se puede transmitir información a velocidad mayor que la de la luz.
¿Qué es eso?
En cuántica no se puede hacer “copiar y pegar” con los estados cuánticos. No podés tomar el estado de un átomo, copiarlo con algún hipotético dispositivo y pegarlo en otro lugar del espacio. Esto solo puede ocurrir si el estado original se destruye, lo que se conoce con el nombre pomposo de teorema de no clonación.
Entonces lo que hizo Zeilinger fue empezar a trabajar para ver si se podía enviar una copia del estado de un átomo a otro laboratorio distante usando un estado entrelazado de dos partículas. Esto es lo que se llama la teletransportación de estados.
Zeilinger hizo un experimento usando fibra óptica que pasa por los túneles que están por debajo del Danubio transmitiendo el estado de fotones desde una orilla del río a la otra. Allí confirmaron que la cuántica tiene razón y que estos estados raros, que a Einstein no les gustaban, existen y que uno los puede usar para enviar el estado de un sistema. Pero para que todo esto ocurra, el operador uno tiene que informarle por otro medio al segundo operador los resultados de sus mediciones. Esto implica que no se entra en contradicción con la relatividad de Einstein, porque tiene que haber algún tipo de comunicación entre ambos operadores la cual viaja siempre a velocidad inferior a la de la luz. Este es el gran aporte que hace Zeilinger.
Con el tiempo estas experiencias se reproducen en otros laboratorios, y se pasa de transportar información a una distancia de 600 m, a transportarla entre dos islas distantes 144 km.
Un verdadero avance aplicable.
Lo último que se está haciendo es algo todavía más increíble. Hace unos pocos años atrás, China hizo varios experimentos transmitiendo información entre dos estaciones que están a 1000 km de distancia, con la ayuda intermediaria de un satélite. O sea que logran transmitir información de una estación a la otra. Pero acá entra otro elemento de la cuántica que es impresionante: logran transmitir información encriptada. Es decir, cuando uno está hablando hay un emisor y un receptor que comparten un código. Por ejemplo, nosotros hablamos porque nos ponemos de acuerdo en que usamos el castellano.
Pero siempre puede haber un tercero no invitado.
El problema es que alguien te intercepte el mensaje y te descubra la clave. Recordemos la película donde Turing, el padre de la computación, descifra el código “Enigma” que usaban los nazis. Los británicos escuchaban los mensajes que se enviaban los nazis y buscaban maneras de descifrar el código. Si los nazis hubieran sabido que los estaban escuchando seguramente hubieran tomado otros recaudos. Este es el problema de la encriptación clásica: que no se puede saber si te están espiando.
¿Hay otra opción?
Ahora lo que existe es la encriptación cuántica. Usamos todas las propiedades que usó Zeilinger con los estados entrelazados y demás para encriptar. Si uso fotones entrelazados para transmitir información mediante una serie de protocolos, hay un paso en el protocolo que compara las mediciones que realizaron las dos personas que están dialogando. Ahí se dan cuenta si alguien midió, o sea si alguien estuvo espiando. Esto hace que la encriptación cuántica sea más segura que la clásica.
Algo absolutamente novedoso.
Así es. Es una nueva área de investigación llamada criptografía cuántica la cual consiste en buscar protocolos que sean cada vez más seguros lo cual es de un enorme interés tecnológico y económico. Por ejemplo, los bancos van a querer encriptar cada vez más sus transacciones. La cuántica advertiría de un hacker que está tratando de desviar el dinero, haciendo imposible que aparezca alguien interceptando una llamada o una transferencia bancaria y que las dos personas involucradas en la interacción no se den cuenta. Esto es lo que lograron los chinos con el experimento del satélite.
Volviendo al Nobel, el premio también se otorga porque se han zanjado debates de larga data.
Los premiados han logrado poner en términos cuantitativos una discusión que parecía casi filosófica. Y con Zeilinger y compañía todos estos conocimientos se trasladan a algo que es completamente práctico y aplicable.
La teletransportación de estados abre las puertas para la computación cuántica ya que podés poner el sistema binario 0 y 1 y construir algoritmos que mostrarían que la computadora cuántica superaría en tiempo de cálculo a la clásica. Siempre hecho primero en experimentos mentales como enseñó Einstein, los cuales después se tratan de trasladar a la práctica lo cual es difícil. Creo que a esto nos encaminamos en esta segunda revolución cuántica.
Pienso que es lo que van a ver los jóvenes y espero que no aparezca el costado negativo que tuvo la primera revolución cuántica que se usó también para construir bombas nucleares. Yendo a los últimos avances, transmitir información a través de satélites puede tener interés bélico. Espero que hayamos aprendido.
Cuántica y Borges
Hablemos de los estados superpuestos de la cuántica, un concepto difícil de entender.
Para la mente es imposible. Y con las mediciones cuánticas uno ve que pasa, que existen. El problema está en lo que se llama el colapso del estado: cuando medís perturbas de una forma violenta el sistema el cual, entonces, cambió radicalmente. Esto tiene que ver con lo que en la cuántica se llaman variables incompatibles, como lo son la posición y la velocidad de una partícula. Ambas no pueden obtenerse con certeza total.
Si uno considera que la cuántica permite superponer estados terminamos hablando del gato de Schrӧdinger. Vos decís que el gato puede estar en un estado vivo o muerto. Las dos son soluciones y por lo tanto las puedo sumar con lo cual se obtiene un estado raro, algo así como un gato zombie.
Pero en la cuántica, con solo medir una de estas dos variables, el sistema colapsa. En el caso del gato: si Ud. midió (vió) y el gato está vivo, así queda. O si estaba muerto, así queda. El estado cambió y pasó de estar en una superposición de los dos (vivo y muerto) a estar en uno de los dos.
Esto genera una confusión grande en nuestras cabezas porque vivimos en un mundo que no es cuántico. Estamos acostumbrados a movernos cotidianamente en un mundo donde no existen los cuantos, para eso tenés que ir al mundo microscópico.
El colapso del estado que mencioné es uno de los puntos centrales de ataque a la teoría cuántica porque a la mayoría de los físicos les costaba aceptar esto y por eso elaboran teorías alternativas muy raras. Por ejemplo, Hugh Everett dice que cuando uno mide está eligiendo el universo en el que se va a quedar. Algo parecido a lo que planteaba Borges en su cuento “El jardín de los senderos que se bifurcan”, donde un señor camina por un jardín y llega a un punto donde había dos senderos: si tomaba el sendero de la derecha el universo se transformaba de una manera y si tomaba el de la izquierda, de otra. Everett hace el planteo sin conocer a Borges y su teoría implica que aparecen copias de las personas y de todo.
Lo pienso desde el punto de vista de universos paralelos y toma de decisiones.
Es eso. Es una teoría super elegante y trabajada. Pero la contrastación experimental es casi imposible porque esos universos supuestamente, no se comunican. Los que la sostienen dicen que cuando vos lanzás electrones por rendijas y se difractan, esa difracción sería la prueba de que los universos paralelos existen. Este es un eterno debate que dominó el siglo pasado. Nadie puede tirar abajo la teoría cuántica pero la interpretación se sigue debatiendo. Hay más teorías como la de Everett pero ninguna tiene el poder explicativo de la cuántica porque interpretan experimentos de manera parcial ni tampoco tienen el poder predictivo.
¿Cómo se pararon los ganadores del premio Nobel frente a estos debates?
Decidieron seguir adelante para poder saber qué pasa. Zeilinger consideraba que no sabía si el estado colapsaba o si hay múltiples universos. Lo que sí sabía era que podía transmitir información de un estado cuántico desde un lado del Danubio al otro. O sea, están tomando estas cuestiones que son las más raras y llevándolas adelante en cuestiones tecnológicas. Hoy en día la mayoría de la comunidad científica considera que la que funciona en su versión ortodoxa es la cuántica. Hasta el momento no hay ningún experimento que la contradiga si bien eso no quita que el día de mañana aparezca algo que no pueda ser explicado por esta teoría.
Una versión más extensa de esta nota puede leerse en https://bit.ly/3HWBz36
Claudio Pairoba es bioquímico, farmacéutico y doctor por la Universidad Nacional de Rosario. Master en Análisis de Medios de Comunicación y Especialista en Comunicación Ambiental. Miembro de la Escuela de Comunicación Estratégica de Rosario y la Red Argentina de Periodismo Científico. Acreditado con la American Association for the Advancement of Science (Science) y la revista Nature.
Notas relacionadas
Max Planck, el padre de la teoría cuántica que intentó convencer a Hitler de que permitiera trabajar a los científicos judíos
https://www.bbc.com/mundo/noticias-48025060
¿A qué se refiere la paradoja Einstein-Podolsky-Rosen?
https://es.quora.com/A-qu%C3%A9-se-refiere-la-paradoja-Einstein-Podolsky-Rosen
Qué es la teletransportación cuántica, cuyos investigadores ganaron Nobel de Física 2022
https://www.memo.com.ar/cultura/que-es-la-teletransportacion-cuantica-cuyos-investigadores-ganaron-nobel-de-fisica-2022/
China consolida su superioridad en comunicaciones cuánticas: acaba de llegar más lejos que nadie y su red cuántica es invulnerable
https://www.xataka.com/investigacion/china-consolida-su-superioridad-comunicaciones-cuanticas-acaba-llegar-lejos-que-nadie-su-red-cuantica-invulnerable
Código Enigma, descifrado: el papel de Turing en la Segunda Guerra Mundial
https://www.eldiario.es/turing/criptografia/alan-turing-enigma-codigo_1_5038272.html
El físico que inspiró el ‘otro lado’ de Stranger Things
https://hipertextual.com/2017/10/stranger-things-universos-paralelos-hugh-everett
