El gran desafío para llegar a describir las partículas entrelazadas

Una de las claves de los desarrollos tecnológicos premiados en el Nobel de Física 2022 reside en cómo la mecánica cuántica permite que dos o más partículas existan en lo que se denomina un “estado entrelazado”: lo que le ocurre a una de las partículas determina lo que le sucede a la otra partícula, aun si se encuentran muy separadas.

Dos investigadoras del Conicet dieron detalles sobre qué son los entrelazamientos cuánticos y el teorema de Bell.

“A escala atómica, las leyes de la naturaleza están dadas por lo que hoy conocemos como mecánica cuántica. Una característica distintiva es el entrelazamiento cuántico: para describir los estados físicos de varias partículas -por ejemplo, electrones y fotones- entrelazadas no podemos describir a cada una por separado, sino que forman un estado colectivo. Por eso se dice que están entrelazadas. Lo que le pase a una de las partículas va a afectar a las otras, aunque estén separadas a grandes distancias. El entrelazamiento es la característica principal que distingue a la física cuántica de la física clásica newtoniana. Estas propiedades antiintuitivas están muy bien establecidas y entendidas hoy en día”, explica en el sitio web del Conicet Karen Hallberg, investigadora del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (UE-INN-Nodo Bariloche) y profesora del Instituto Balseiro (IB, CNEA-UNCUYO).

Por su parte, Analía Zwick, también investigadora del CONICET en el INN y profesora del IB, comenta: “el entrelazamiento es una de las más fascinantes y controversiales características del mundo cuántico. Inspiró discusiones filosóficas, de ciencia ficción y abrió la puerta al desarrollo de aplicaciones y tecnologías revolucionarias. Que dos partículas estén descriptas por un estado cuántico entrelazado significa que no importa qué tan lejos espacialmente estén, siguen comportándose como una entidad. Si realizo una medición sobre una, la otra se verá afectada inmediatamente. Dos partículas (fotones, átomos, algo diminuto que viva en el mundo gobernado por la física cuántica) me pueden formar un estado cuántico en el que cada partícula sigue manteniendo su “individualidad” y pueden formar estados cuánticos entrelazados en el que ahora estas partículas forman una única identidad. Sin importar a qué distancias se encuentren, hay propiedades que las seguirán uniendo”.

Durante mucho tiempo, se pensó que esta correlación podía deberse a que las partículas en un par entrelazado contenían variables ocultas, instrucciones que les indican qué resultado deben dar en un experimento. En los años 60, el físico norirlandés John Stewart Bell desarrolló el “teorema de Bell”, también conocido como “desigualdades de Bell”, que estableció que si hay variables ocultas, la correlación entre los resultados de un gran número de mediciones nunca excederá un cierto valor. Sin embargo, la mecánica cuántica predice que cierto tipo de experimento violará la desigualdad de Bell.

“Las desigualdades matemáticas que propuso Bell en los años ‘60 destrabaron una larga discusión fundamental en cuanto a principios físicos, pero también muy filosófica sobre la naturaleza probabilística que rige el mundo cuántico. Ahí las cosas no son de una determinada forma, sino que hay cierta probabilidad de que sean de determinada forma. A Einstein esta idea nunca le gusto y estaba convencido de que debería haber variables ocultas que aún se desconocían para hacer un correcta y completa descripción de los sistemas cuánticos. La desigualdad de Bell permitió trasladar el debate filosófico a una idea de demostración experimental que afirma que la teoría de variables ocultas es incompatible con las predicciones probabilísticas de la mecánica cuántica. Esto motivó un gran desafío a nivel experimental para llegar a demostrar estas ideas. Finalmente, luego de muchas propuestas y esfuerzos a nivel experimental, experimentos realizados por los ahora galardonados con el Nobel demostraron que efectivamente los sistemas cuánticos violan las desigualdades de Bell, demostrando su naturaleza probabilística”, señala Zwick.