El experimentador mental

Poniendo el teletransporte, el entrelazamiento y otras rarezas cuánticas a prueba, el físico Anton Zeilinger espera averiguar cómo de irreal puede ser la realidad cuántica

ANTON ZEILINGER cuestionador cuántico: Prueba los fundamentos de la física cuántica y el alcance de los estrafalarios fenómenos tales como en entrelazamiento.El número 42: Como la respuesta para todo en la “Guía del Autoestopista Galáctico”, la mecánica cuántica necesita un marco de trabajo para hacerse inteligible. La información podría ser la solución. Crédito de la imagen: Jacqueline Godany.

El físico Anton Zeilinger puede no comprender la mecánica cuántica, pero no ha dejado que eso sea un problema en su camino. Además de allanar el camino para las computadoras ultrapotentes y códigos irrompibles que funcionan bajo los efectos cuánticos, el austriaco de 62 años ha dado un empujón a los límites de la rareza cuántica en caminos destacados. Recientemente observó el delicado vínculo cuántico del entrelazamiento en la luz parpadeante entre dos de las islas que componen las Islas Canarias, a 144 kilómetros de distancia. Sueña con hacer rebotar luz entrelazada entre dos satélites en órbita.

Aunque es más conocido para el mundo por tales experimentos de renombre, que trabaja en la Universidad de Viena, ha ido a las longitudes comparables para probar las suposiciones subyacentes a la misma mecánica cuántica. Sus resultados dejan poco espacio para ocultarse de la conclusión de que la realidad cuántica es completa e innegablemente extraña — tanto que 40 años después de que se la encontrase por primera vez como estudiante, Zeilinger aún busca lo que le da sentido. “Hice la que pensé que era la conclusión correcta inmediata”, dice, “y es que nadie la entiende en realidad”.

Durante casi 17 años, el trabajo de Zeilinger se ha centrado en los trucos de la luz entrelazada. Dos partículas se dice que están entrelazadas si comparten es mismo estado cuántico difuso, lo que significa que ninguna de las dos comienza con unas propiedades definidas como situación o polarización (lo cual puede imaginarse como la orientación espacial de una partícula). Mides la polarización de un fotón y aleatoriamente adopta un cierto valor, digamos, horizontal o vertical. Extrañamente, la polarización del otro fotón siempre encajará con la de su compañero. A Zeilinger, cuyo grupo inventó una herramienta común de polarización entrelazada, le gusta ilustrar la idea imaginando un par de dados que siempre sacan el mismo número.

Igualmente misterioso es que el acto de medir la polarización de un fotón fuerza inmediatamente a que el segundo fotón adopte un valor complementario. Este cambio se produce de forma instantánea, incluso si los fotones estuviesen en puntos opuestos de la galaxia. El límite de la velocidad de la luz que obedece el resto del mundo puede saltarse en por la física cuántica.

Los científicos han llegado a ver el entrelazamiento como una herramienta para la manipulación de la información. Una red de fotones entrelazados podría permitir a los investigadores ejecutar potentes algoritmos capaces de romper los mensajes codificados más seguros o simular moléculas para medicinas y diseño de material. Durante seis años Zeilinger fue mejorando el récord de más fotones entrelazados — tres, luego cuatro (mejorado a cinco en 1004, y a seis, por un antiguo investigador de su grupo). En 1997 Zeilinger fue el primero en demostrar el teletransporte cuántico: entrelazó un fotón con un miembro de un segundo par entrelazado, provocando que el primer fotón dejase la huella de su estado cuántico en el otro miembro. El teletransporte podría mantener las señales limpias en las computadoras cuánticas [ver “Quantum Teleportation,” by Anton Zeilinger; Scientific American, April 2000 (“Teletransporte Cuántico”, por Anton Zeilinger; Scientific American, abril de 2000)].

Unos años más tarde su grupo fue uno de los tres que codificaron mensajes secretos en cadenas de fotones entrelazados, el cual los fisgones no pudieron interceptar sin alterar el mensaje. No siempre es el primero en conseguir tales proezas, pero “tiene muy buen ojo para un experimento elegante y para uno que comunique lo que él quiera comunicar”, dice el investigador de óptica cuántica Paul G. Kwiat de la Universidad de Illinois, antiguo miembro del laboratorio de Zeilinger y ahora colaborador.

“La única razón por la que hago física es porque me gustan las cuestiones fundamentales”, dice Zeilinger entre mordiscos a un bocadillo de queso y miel. Ha venido a Denver para una reunión de físicos, donde hablará a sus colegas de reunión sobre su trabajo con los rayos de fotones entrelazados en La Palma y Tenerife en las Islas Canarias — extendiendo el rango de los mensajes secretos entrelazados por diez.

Con un rostro claro y sonriente y las gafas ovaladas incrustadas entre su barba y una nube de pelo gris encrespado, parece un pequeño lobo — listo para atrapar a su presa cuántica. “Todo lo que hago es por la diversión”, dice.

Parte de su diversión es confirmar la rareza de la mecánica cuántica. La indeterminación cuántica molestó notablemente a Albert Einstein, quien la llamó una teoría incompleta. Una partícula debería saber dónde y qué es, pensaba, incluso si nosotros no podemos, y ciertamente no recibiría señales más rápidas que la luz.

La visión de Einstein permaneció como un tema de interpretación y en el terreno de los experimentos gedanken, o mentales, hasta 1964, cuando el físico irlandés John Bell probó que las medidas de las partículas entrelazadas podría distinguir la mecánica cuántica de la posición de Einstein, una mezcla de localidad (las señales fluyen a la velocidad de la luz) y realismo (las partículas poseen unas propiedades definidas aunque ocultas).

Las pruebas basadas en la luz del Teorema de Bell requieren dos detectores que cambien rápidamente las direcciones a lo largo de las cuales miden la polarización de los pares entrelazados. Estadísticamente, el realismo local impone que las polarizaciones pueden estar vinculadas, o correlacionadas, sólo para un cierto porcentaje de medidas. En una prueba clásica de Bell en 1982 que fijó el estándar para los futuros intentos, físicos franceses ratificaron la mecánica cuántica — y fijaron el realismo local – observando un porcentaje mayor.

La primera incursión de Zeilinger en el entrelazamiento fue como teórico, cuando, en 1989, co-inventó una versión no estadística del Teorema de Bell para tres partículas entrelazadas — llamados estados GHZ, por los apellidos de los descubridores (Daniel M. Greenberger del City College de Nueva York, Michael A. Horne del Stonehill College en Easton, Massachusetts, y Zeilinger). El trío imaginó tres fotones entrelazados cada uno golpeando un conjunto de detectores para mediar la polarización en una de las dos direcciones, horizontal-vertical o el giro izquierda-derecha. En principio, cuatro combinaciones de configuraciones de detectores configurarían una simple medida capaz de distinguir la mecánica cuántica del realismo local.

“Fue el mayor avance en el en todo el tema de la comparación de la mecánica cuántica con las teorías realistas locales desde el trabajo original de Bell”, dice el físico Anthony J. Leggett de la Universidad de Illinois. La realización del experimento GHZ llevó a Zeilinger hasta 2000.

El año anterior, también acabó con una ambigüedad del experimento francés del1982 (aún permanecen otras ambigüedades) usando dos relojes atómicos que hacían tic-tac vivamente para descartar cualquier posibilidad de que los detectores estuviesen de algún modo comparando notas enviadas a la velocidad de la luz.

Hace pocos meses Zeilinger informó de la implementación de una nueva prueba de Bell estadística, diseñada por Leggett, que opone la mecánica cuántica contra la categoría de teorías en la que los fotones entrelazados tienen polarizaciones reales pero intercambian partículas ocultas que viajan más rápido que la luz. En principio, tales teorías “más rápida que la luz” podrían haber imitado perfectamente la rareza cuántica dejar al realismo sin molestar. No fue así, de acuerdo con el experimento: los resultados sólo podían explicarse mediante irrealidad cuántica.

Por lo que, ¿qué idea reemplaza al realismo? La situación trae a la mente uno de los libros favoritos de Zeilinger, la novela cómica The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy (Guía del autoestopista galáctico), de Douglas Adams, en la cual una poderosa computadora consiguió el significado de la vida, el universo y todo y arrojó el número 42. Por lo que su creador construyó una máquina mayor para descubrir la pregunta. (Como ávido marinero, Zeilinger llamó a su barco 42.)

Si la indeterminación cuántica es como el número 42, entonces ¿qué idea la hace inteligible? La suposición de Zeilinger es la información. Así como un bit puede tener valores 0 o 1, una partícula medida termina aquí o allí. Pero si una partícula lleva sólo ese bit de información, no tendrá espacio restante para especificar su situación antes de la medida.

Al contrario que Einstein, Zeilinger acepta que la aleatoriedad es el cimiento de la realidad. Es más, “no puedo creer que la mecánica cuántica tenga la última palabra”, dice. “Tengo el sentimiento de que si conseguimos in verdaderamente al fondo de por qué el mundo tiene la mecánica cuántica” — de dónde viene el 42 — “tendríamos que ir más allá. Eso es lo que espero”. Entonces, finalmente, llegaría la comprensión.


Autor: JR Minkel
Fecha Original: julio de 2007
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