Antes de nada realizar una pequeña introducción de la entrada correspondiente. Desde que nacemos estamos inmersos en un entorno social, y este hecho, hace indispensable que el individuo se desarrolle y crezca en dicho contexto. Es por ello que considero muy importante que los individuos colaboren y compartan sus habilidades, talentos e ideas para crecer juntos y alcanzar unos objetivos comunes.
En este marco colaborativo ha surgido este post del blog en el que os vamos a hablar de los Premio Nobel, de manera colaborativa con algunos compañeros que se han visto interesados por la idea. En el Anexo 3 os incorporaré los enlaces para poder acceder a sus publicaciones.
REVOLUCIÓN EN LA CUÁNTICA
Un gran revuelo ha causado la asignación del Premio Nobel de física a tres científicos especializados en el campo de la mecánica cuántica, rama de la física que estudia la naturaleza a escalas espaciales pequeñas, los sistemas atómicos, subatómicos, sus interacciones con la radiación electromagnética y otras fuerzas.
El área de la mecánica cuántica sobre la que se basan el francés Alain Aspect, el estadounidense John Clauser y el austriaco Anton Zeilinger es el entrelazamiento cuántico, por la cual se estudia el comportamiento único de dos partículas subatómicas separadas entre sí. Es decir, lo que sucede a una partícula determina lo que sucede a la otra incluso si están muy separadas, pudiendo trasmitir los estados cuánticos en los que se encuentras las partículas. Su estado compartido puede ser su energía o su giro. Se trata de un extraño fenómeno que Albert Einstein denominó "acción fantasmal a distancia".
Estas partículas suelen tratarse generalmente de fotones, paquetes de luz definidos por el científico Plack para hablar en escalas atómicas. Estos fotones son partículas con dualidad de comportamiento, onda-corpúsculo, y se encargan de portar la energía electromagnética en función de la longitud de onda que porten.
¿Qué diferencia existe entre la definición corpuscular o de onda? Por ejemplo el electrón es una partícula con dualidad en su comportamiento, lo que implica que ocupa un espacio amplio al ser una onda, como pasa por ejemplo con el sonido, podemos imaginar por ejemplo que este ocupa una esfera mientras que su naturaleza corpuscular hace que sea simplemente un puntito. Si ocupa toda una esfera, al medir la electricidad debería darnos un campo eléctrico en toda la esfera sin embargo muestra una naturaleza puntual no ondulatoria. El problema es que la teoría del electrón como onda si funciona al aplicarla en la naturaleza.
Einstein por tanto se sintió estafado y consideró que la cuántica es una teoría incompleta y debía desarrollarse lo que el llamó la "Teoría de Variables Ocultas", una física real que explique correctamente el comportamiento de la naturaleza solo que aún no se había desarrollado.
JOHN BELL Y LAS VARIABLES OCULTAS
Con esta base teórica previa podemos llegar al premio Nobel ¿Qué han hecho estos tres científicos? Demostrar experimentalmente que las "Variables Ocultas" no existían o al menos no de la manera en la que Einstein sostenía.
El matemático Nouman en 1930, hizo una desmotración matemática que dijo que no podía existir esa teoría de variables ocultas (locales) dentro de la cuántica. Locales implica que su velocidad es menor a la de la luz, es decir, que se regía por la relatividad de Einstein que ninguna partícula puede ser más rápida que la velocidad de la luz, por eso su importancia.
Sin embargo John Bell se dio cuenta que esto era imposible de demostrar matemáticamente, que solo se podía experimentar. Él ideó unas desigualdades matemáticas que cumplían las teorías clásicas y que debían de cumpliera sus variables ocultas, pero que no cumple la mecánica cuántica. Los galardonados se han basado en su 'metateoría' han implementado estos experimentos ideados por John Bell, que habría ganado el Nobel si hubiera vivido unos años más.
"Ninguna teoría física de variables ocultas locales puede reproducir todas las predicciones de la mecánica cuántica"
Las desigualdades generadas por John asumen que cada objeto de nivel cuántico tiene un estado bien definido que da cuenta de todas sus propiedades medibles y que objetos distantes no intercambian información más rápido que la velocidad de la luz (no localidad). Estos estados bien definidos se llaman a menudo variables ocultas. Son las propiedades que Einstein afirmó cuando hizo su famosa objeción a la mecánica cuántica:
"Dios no juega a los dados."
Para entender este es necesario saber que es un estado cuántico, concepto puramente matemático y abstracto, y una fuente de dificultades al abordar la teoría por primera vez. El estado cuántico es el estado físico en el que en un momento dado tiene un sistema físico, en el marco de la mecánica cuántica. En la física clásica, teóricamente, al medir una magnitud física en un sistema varias veces, obtendríamos un mismo valor. Sin embargo en la física cuántica, en teoría, al medir una magnitud física podríamos obtener un valor diferente cada vez que se mide. Por tanto la cuántica se basa en una distribución de probabilidad (ver anexo 1).
Volvemos con las variables ocultas y la importancia de la no localidad desarrollada por Bell bajo la teoría de Einstein. En consecuencia, a las desigualdades de Bell la única forma en que las variables ocultas podrían explicar las predicciones de la física cuántica es si son "no locales". Como dijo más tarde
"Si [una teoría de variables ocultas] es local, no estará de acuerdo con la mecánica cuántica, y si está de acuerdo con la mecánica cuántica, no será local".
Desigualdades de Bell son restricciones que deben de satisfacer las partículas entrelazadas bajo la mecánica clásica no relativista, lo que daría lugar a la existencia de la teoría de las variables ocultas y con ello al realismo local. El realismo local es la combinación del principio de localidad con la suposición realista de que todos los objetos deben tener valores objetivamente existentes para cada medida posible antes de que se lleven a cabo estas mediciones. A Einstein le gustaba decir que la luna está allí incluso cuando nadie la está mirando. Como podréis suponer esto está en contra de la física probabilística de la cuántica (ver apéndice final).
Para entender la importancia de la no localidad si una teoría de variables ocultas existiera, tú tendrías que contar con que la naturaleza esta transmitiendo información entre los diversos puntos del experimento y si quieres descartar que estas variables ocultas existen tienes que separar las diversas partes de tu experimento.
En los distintos experimentos se demostró varias veces la no localidad, es decir, la transmisión de información a velocidades más altas que la de la luz. Al realizar de manera constante los experimentos y realizar las mediciones la transmisión de información recorría 18 metros en el mismo tiempo que la luz recorre 5 metros. Hoy no hay duda que la cuántica es completa en su estado probabilística y no determinista, entre la lucha entre Einstein y Borh el ganador es Borh.
La diferencia entre lo que actualmente está pasando y el modelo de 'teletransporte' cuántico inicialmente predicho por Einstein es la información que se teletransporta.
Hoy en día interpretamos la teoría cuántica de un electrón como una descripción de la información que lleva el electrón (carga, giro...), como decía Bohr, no del electrón como tal, como prefería Einstein. Por ello todo esto está muy relacionado con la transmisión de información comentada posteriormente en la sección donde hablamos de aplicaciones de estos avances.
SÍNTESIS DE LOS EXPERIMENTOS DE LOS PREMIADOS SOBRE LA CUÁNTICA PROBABILÍSTICA DE BELL
Sin embargo la pregunta es, ¿qué ha aportado cada uno de los investigadores al desarrollo de la tecnología cuántica?
1. En primer lugar John Clauser desarrolló un experimento práctico basado en las ideas de John Bell. Al recopilar los resultados observaron que respaldaba la mecánica cuántica al violar claramente laa desigualdad de Bell. O lo que es lo mismo, que la mecánica cuántica no podía ser reemplazada por una teoría que utilizase variables ocultas.
2. Alain Aspect desarrolló un experimento gracias al cual pudo cambiar la configuración de medición, la configuración que existía cuando se emitió un par entrelazado no podía afectar el resultado final.
3. Anton Zeilinger usó distintos estados cuánticos entrelazados para finalmente demostrar un fenómeno llamado teletransportación cuántica, que hace posible mover un estado cuántico de una partícula a otra a distancia.
¿QUÉ USOS PRÁCTICOS NOS APORTA ESTO?
Cuando transmitimos información en una fibra óptica o directamente por el aire al hablar transmitimos unidades de energía con el mensaje a transmitir. La diferencia entre la mecánica clásica y la cuántica se diferencia en el modelo probabilístico. En el modelo probabilístico puede ser clásico o cuántico. La información cuántica es mucho más rica para definir la realidad por tener incluso probabilidades negativas.
La información cuántica es muy útil porque es la que permite el internet cuántico, los ordenadores cuánticos, un cifrado cuántico... y esto se conectará con satélites.
Por tanto estas investigaciones de entrelazamiento están ganando mucha atención en dos áreas:
- Aumento de la capacidad en las computadoras, con lo que aumentaría la resolución de problemas complejos, cuántica computacional
- La criptografía, con lo que conseguiríamos conversaciones más seguras imposibles de hackeo o intrusismo.
ANEXO I. DIFERENCIA ENTRE UN ESTADO CUÁNTICO Y UN ESTADO CLÁSICO Y LA BASE PROBABILÍSTICA DE LA CUÁNTICA
Os pongo un ejemplo: imaginad que Alberto es un poco friki y siempre usa calcetines reversibles de dos colores, blancos por fuera y negros por dentro, el color de la equipación del Castellón. Siempre se pone los dos calcetines del mismo color por fuera, pero unos día muestran el color interior y otros muestran el color exterior. Imagina que yo le quito un calcetín a Alberto, se lo enseño a Alsina y le pregunto de qué color es el calcetín que tiene Alberto en su otro pie. Si Alsina no sabe si yo le he dado la vuelta al calcetín o no se la he dado antes de mostrárselo solo puede saber que será de color blanco o negro. Tiene una probabilidad de un 50 % de acertar. Por supuesto, si me vio quitárselo y sabe que no le he dado la vuelta acertará el 100 % de las veces. Esto es un ejemplo de una correlación clásica.
Si los calcetines de Alberto fueran cuánticos se podrían preparar en un estado entrelazado en el que los calcetines ni son blancos ni son negros, sino que están en un estado de superposición de ambos colores. Eso sí, tras mirar un calcetín aparecerá como blanco o somo negro, pero no tienen color determinado cuando no los miramos (como el famoso gato de Schrödinger en la caja que no sabemos si está vivo o muerto). Si Alsina supiera física cuántica podría predecir el color del calcetín del pie de Alberto con una probabilidad mayor del 50 % haciendo un experimento con el calcetín que yo le muestro antes de mirarlo. Siendo imposible que acierte en su respuesta con un 100 % de probabilidad, la física cuántica le permite predecir el color del calcetín que Alberto lleva puesta hasta con casi un 71 % de probabilidad. La razón es que las correlaciones cuánticas entre dos sistemas entrelazados son más fuertes que las correlaciones clásicas. Este incremento de probabilidad del 50 % clásico a un 71 % cuántico gracias al entrelazamiento es lo que demostraron en sus experimentos con fotones Clauser, Aspect y Zeilinger.
ANEXOS 2. APLICACIONES DIDÁCTICAS
Existen distintos trabajos experimentales posibles de aplicar a nivel académico, envidentemente a mucho más bajo nivel y teniendo en cuenta las limitaciones económicas, y un ejemplo es este trabajo de fin de Elisa Masa sobre una aplicación experimental de las desigualdades de Bell.
Posteriormente existen distintos libros a bajo nivel a poder leer por los alumnos como es "Conversaciones de física con mi perro"
Por último adjuntamos la pequeña síntesis de la explicación del premio Nobel emitida por la escuela sueca
ANEXO 3. LINKS PREMIOS NOBELES 2022.
Nobel de Literatura 2022
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