Premio Nobel de Física 2022: poder de la mecánica cuántica que se explora en la UdeC

Los físicos Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger son los laureados, reconociendo sus aportes en probar una propiedad fundamental de la rama y clave para comprender a la naturaleza e impulsar la ciencia de la información cuántica, conduciendo al desarrollo de nuevas potentes tecnologías. Las áreas que se abordan desde estudios en el MIRO, que fue visitado por el doctor Aspect cuando vino a la UdeC en 2019.

Corría abril de 2019 cuando la Universidad de Concepción (UdeC), que cumplía 100 años, tuvo la visita de un científico pronto se adjudicaría el más importante galardón del mundo por las contribuciones de su trabajo y que fue la primera persona que recibió la “Medalla Centenario”, con que la casa de estudios reconoció a personalidades de todas las áreas del saber. Es el destacado físico francés Alain Aspect, quien este 4 de octubre se convirtió en uno de los tres ganadores del Premio Nobel de Física 2022, junto con su colega estadounidense John Clauser y el austriaco Anton Zeilinger.

Sus aportes en “experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica” resaltó la Real Academia Sueca al anunciar a los laureados. El Comité Nobel de Física relevó que el trabajo de larga data de los científicos y sus estudios innovadores han allanado el camino hacia el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en la información cuántica y usando estados cuánticos entrelazados.

Los aportes

Son diversas las tremendas implicancias de la aplicación de estos conocimientos en materias como la informática, con potenciales que ya se están explorando alrededor del mundo y también en la UdeC a través del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO), en cuyos laboratorios estuvo el doctor Aspect y desde donde abordan la trascendencia e impacto de los resultados de los tres Nobel.

“Los desarrollos de estos investigadores permitieron explorar y comprender propiedades fundamentales de la mecánica cuántica, que permitieron entender por qué esta teoría es distinta a las teorías físicas clásicas. Y eso juega un rol fundamental en la comprensión de la naturaleza”, resalta en primer lugar el físico Aldo Delgado, director del MIRO y académico de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.

La mecánica cuántica es la rama de la física que se relaciona con la naturaleza a escalas más pequeñas, un  mundo microscópico, y es su poder lo que evidenciaron. En particular, su propiedad de entrelazamiento que define como “fundamental en los sistemas cuánticos y bastante paradójica”, porque establece que dos o más partículas que están en un estado entrelazado van a estar perfectamente correlacionadas sin importar la distancia entre sí. “De acuerdo con el entrelazamiento puedo tener una partícula en una parte del universo y otra en otra parte, actuar sobre una de ellas y esta acción va a tener reacción en la otra, y esta reacción es instantánea. Lograr demostrar esta propiedad en la naturaleza es extremadamente complicado y los investigadores realizaron experimentos haciendo uso de esta propiedad de los sistemas cuánticos”, explica el doctor Delgado.

Con los sistemas cuánticos y sus propiedades aparece el concepto de súper sistemas, conocidos como “estados cuánticos”, precisa el doctor en ciencias de la ingeniería eléctrica Jaime Cariñe, investigador del MIRO y académico de la Universidad Católica de la Santísima Concepción (Ucsc). Estos tienen la particularidad de operar en múltiples sistemas, tanto por el entrelazamiento cuántico como gracias a la superposición cuántica, afirma.
Para ejemplificar su operación plantea estar ante 10 caminos diferentes y cada uno con una fruta distinta. Un sistema clásico puede pasar por un camino y recoger una fruta a la vez, por lo que para recolectarlas todas debe realizar el procedimiento 10 veces. “Los súper sistemas son capaces de pasar por todos los caminos y recoger todas las frutas de una sola vez”, destaca.

Y los experimentos hechos en distintos años por los doctores Aspect, Clauser y Zeilenger llevaron a mostrar que “las propiedades de los sistemas cuánticos pueden ser explotadas para resolver problemas”, afirma Aldo Delgado. “Por este motivo nace la información cuántica, área de investigación que permite utilizar estos súper sistemas en computación y comunicaciones”, añade Jaime Cariñe.

Justamente, las posibilidades y potenciales de los sistemas cuánticos para almacenar, procesar y transmitir información (las comunicaciones), que se estudia mediante la teoría de la información cuántica, han derivado en el desarrollo de nuevas tecnologías que usan las propiedades de los sistemas cuánticos como la computación cuántica o súper computadoras, dando saltos realmente cuánticos también en transferencia y seguridad de la información.

La ciencia local también corre en la carrera cuántica global

“El beneficio de las súper computadoras es que serán capaces de resolver problemas muy complejos de forma extraordinariamente más rápido que los computadores actuales”, destaca Jaime Cariñe sobre la computación cuántica, que existen operan con las propiedades de los súper sistemas cuánticos, con tremenda capacidad de almacenamiento, procesamiento y transmisión de información. Su poder es tanto que pueden realizar de manera veloz una tarea que un computador clásico, los comunes, tarda años en resolver.

Y si surgen alarmas por desventajas que esta capacidad implique en seguridad de la información por mala implementación o uso de la poderosa tecnología, el investigador asegura que “por las mismas propiedades de la mecánica cuántica, las súper computadoras no romperían la seguridad de un sistema de comunicaciones cuántico”.
Investigaciones y desarrollos que impulsaron lo que denomina “la carrera cuántica” y sostiene que “China, Estados Unidos y la Unión Europea han invertido billones de dólares desde el año 2020 para avanzar en la información cuántica”.

Investigación cuántica UdeC

Carrera cuántica de la que se hace parte la ciencia local. “En el MIRO, en Concepción y Chile tenemos varios investigadores enfocados en estudiar problemas en el contexto de la mecánica cuántica y la teoría de la información cuántica”, afirma Aldo Delgado. Como él o Cariñe, además de un grupo diverso de académicos de la UdeC y de las otras universidades chilenas que albergan al Instituto Milenio y de otros investigadores que se han especializado en el MIRO y siguen colaborando desde entidades como la Universidad del Bío-Bío.

Por eso, manifiesta “que se haya otorgado el Premio Nobel de Física a estos investigadores es un espaldarazo súper fuerte para nosotros, porque nos dice que tomamos la decisión correcta de desarrollar esta área en la UdeC”.

De hecho, el desarrollo de investigaciones en el área cuántica en la UdeC ya tiene larga data, partió antes que se adjudicaran los fondos para crear al MIRO, el Núcleo Milenio antecesor o consolidar otros laboratorios, como ha destacado el rector Carlos Saavedra, también físico y parte de la historia también como investigador, en cuya carrera tuvo vínculos con el Nobel Anton Zeilinger.

Sobre ello, en entrevista con el portal Noticias UdeC en el marco del reciente Premio Nobel de Física, Saavedra relata que “en 1997 me encontraba precisamente en la ciudad austriaca de Innsbruck, en el momento cuando se desarrolló el primer experimento de teleportación cuántica usando estados cuánticos entrelazados”.

También cuenta que coincidieron en trabajos colaborativos con equipos en Brasil, que hace cerca de dos décadas permitieron iniciar en la UdeC los experimentos en fundamentos de teoría cuántica y brindar formación especializada en el área a varias generaciones de profesionales.

Trayectoria en la que desde la institución académica se ha liderado y participado en la competitiva área a través de diversos trabajos de clase mundial. Una de las investigaciones más importantes fue The Big Bell Test que se realizó en 2016, donde participaron 12 institutos del mundo para evaluar el entrelazamiento usando la capacidad humana de elegir libremente o aleatoriedad. “El experimento mundial nos permitió ser autores, el 2018, de una publicación en la prestigiosa revista Nature”, resalta el doctor Cariñe quien junto al doctor Gustavo Lima estuvo a cargo del experimento a nivel local, cuya teoría fue elaborada por los doctores Aldo Delgado y Esteban Sepúlveda.

“También hemos aportado a la información cuántica con revolucionarios dispositivos y circuitos en fibras ópticas capaces de procesar y optimizar la información”, añade Cariñe, con resultados publicados en reconocidas revistas. “En los próximos años esperamos tener resultados de la implementación de sistemas de transmisión ultra seguros para protección de privacidad de la información”, asegura.

Experimentos para el Nobel

El Big Bell Test está completamente relacionado con el trabajo de los laureados con el Nobel 2022, porque sus trabajos cerraron un debate sobre la interpretación de le mecánica cuántica que, aclaran tanto Delgado como Cariñe, considera fenómenos que no se pueden explicar con las teorías clásicas de la física. Esta se sustenta en el paradigma de causa y efecto o predictibilidad, mientras la mecánica cuántica tiene el factor impredecibilidad.

Toda la información disponible avala que Albert Einstein fue clave para que naciera la mecánica cuántica y también su gran crítico, fundamentalmente por la propiedad de entrelazamiento a la que cuestionaba. En 1935, con otros colegas, publicó un trabajo que postulaba que la teoría era incompleta y con una interpretación no realista, en lo que se ha conocido como paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen o EPR.

Ante eso, en 1964 el científico John Bell propuso su teorema conocido como las desigualdades (que llevan su nombre) para una teoría clásica realista o lo que la física cuántica debe incumplir. Es un modelo matemático para la demostración experimental de la mecánica cuántica, en base a la paradoja EPR.

En ese contexto, en 1972 el doctor Clauser, junto a su equipo de investigación, hizo el primer experimento que incumplía esas desigualdades. En adelante los doctores Aspect y Zeilinger con sus respectivos grupos propusieron y realizaron más pruebas para demostrar experimentalmente la existencia de entrelazamiento cuántico.