El Premio Nobel de Física 2022 ha revelado que «el universo, en realidad, no es tan real como pensamos».

El hecho de que el universo no sea localmente real es uno de los descubrimientos más inquietantes del último medio siglo. «Real», que indica que los objetos tienen atributos definidos independientemente de la observación (por ejemplo, una manzana puede ser roja incluso cuando nadie la está mirando); «local», que significa que los objetos solo pueden verse afectados por su entorno y que cualquier efecto no puede viajar más rápido que la luz. Los investigadores de la física cuántica han descubierto que estos conceptos no pueden ser ambos ciertos. En cambio, la evidencia sugiere que los objetos no solo están influenciados por su entorno y que pueden carecer de propiedades distintivas antes de la medición. «¿De verdad crees que la luna no está allí cuando no la estás mirando?», preguntó Albert Einstein a un amigo.

Por supuesto, esto es profundamente contrario a nuestras experiencias cotidianas. Parafraseando a Douglas Adams, la desaparición del realismo local ha enfadado a mucha gente y se ha considerado en general como una mala decisión.

El logro se ha atribuido ahora a tres físicos: John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger. Se les concedió el Premio Nobel de Física en 2022 a partes iguales «por experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica». («Desigualdades de Bell» alude al trabajo pionero de principios de la década de 1960 del físico norirlandés John Stewart Bell, quien sentó las bases para el Nobel de Física de este año). Los colegas sintieron que el trío merecía este castigo por cambiar la realidad tal como la conocemos. «Es una noticia maravillosa. «Se había esperado mucho tiempo», dice Sandu Popescu, físico cuántico de la Universidad de Bristol. «No hay duda de que el premio es bien merecido».

“Los experimentos, que comienzan con el primero de Clauser y continúan hasta el presente, muestran que esto no es sólo filosófico, es real y, como otras cosas reales, potencialmente útil”, dice Charles Bennett, un eminente investigador cuántico de IBM.

“Cada año pensaba: ‘Oh, tal vez este sea el año’”, dice David Kaiser, físico e historiador del Instituto Tecnológico de Massachusetts. “Este año, realmente lo fue. Fue muy emotivo y emocionante”.

El camino que recorrió la teoría cuántica desde la marginalidad hasta la popularidad fue largo. Desde aproximadamente 1940 hasta 1990, el tema se trató a menudo como filosofía en el mejor de los casos y como una locura en el peor. Muchas revistas científicas se negaron a publicar artículos sobre teoría cuántica y era casi imposible conseguir puestos académicos que permitieran realizar tales investigaciones. En 1985, el asesor de Popescu le advirtió que no se doctorara en esa materia.

“Él dijo: ‘Mira, si haces eso, te divertirás durante cinco años y luego te quedarás sin trabajo’”, dice Popescu.

Hoy en día, la ciencia de la información cuántica es uno de los subcampos más vibrantes e impactantes de toda la física. Vincula la teoría general de la relatividad de Einstein con la mecánica cuántica a través del comportamiento todavía misterioso de los agujeros negros. Dirige el diseño y el funcionamiento de los sensores cuánticos, que se utilizan cada vez más para estudiar todo, desde los terremotos hasta la materia oscura. Y aclara la naturaleza a menudo confusa del entrelazamiento cuántico, un fenómeno que es fundamental para la ciencia de los materiales moderna y que se encuentra en el corazón de la computación cuántica.

“¿Qué es lo que hace que un ordenador cuántico sea ‘cuántico’?”, pregunta retóricamente Nicole Yunger Halpern, física del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. “Una de las respuestas más populares es el entrelazamiento, y la razón principal por la que entendemos el entrelazamiento es el gran trabajo en el que participaron Bell y estos ganadores del Premio Nobel. Sin esa comprensión del entrelazamiento, probablemente no seríamos capaces de crear ordenadores cuánticos”.

¿A QUIÉN SUENA LA CAMPANA?

El problema con la mecánica cuántica nunca fue que hiciera predicciones equivocadas; de hecho, la teoría describió el mundo microscópico espléndidamente bien desde el principio, cuando los físicos la idearon en las primeras décadas del siglo XX.

En su emblemático artículo de 1935, Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen se opusieron a las incómodas implicaciones de la teoría para la realidad. Su análisis, conocido por sus iniciales EPR, se centró en un experimento mental destinado a ilustrar lo absurdo de la mecánica cuántica; mostrar cómo, en determinadas condiciones, la teoría puede fallar, o al menos arrojar resultados sin sentido que entran en conflicto con todo lo demás que sabemos sobre la realidad. Una versión simplificada y modernizada de la EPR es algo así: se envían pares de partículas en diferentes direcciones desde una fuente común, dirigidas a dos observadores, Alice y Bob, cada uno estacionado en extremos opuestos del sistema solar. La mecánica cuántica dicta que es imposible conocer el espín, una propiedad cuántica de las partículas individuales antes de la medición. Cuando Alice mide una de sus partículas, descubre que su espín está hacia arriba o hacia abajo. Sus resultados son aleatorios y, sin embargo, cuando mide hacia arriba, sabe instantáneamente que la partícula correspondiente de Bob debe estar hacia abajo. A primera vista, esto no es tan extraño; Tal vez las partículas sean como un par de calcetines: si Alicia consigue el calcetín derecho, Bob debe conseguir el izquierdo.

Pero, según la mecánica cuántica, las partículas no son como calcetines y sólo cuando se miden se asientan en un giro hacia arriba o hacia abajo. Éste es el enigma clave de la EPR: si las partículas de Alice carecen de giro hasta la medición, ¿cómo saben entonces, cuando pasan a toda velocidad por Neptuno, qué harán las partículas de Bob cuando salgan del sistema solar en la otra dirección? Cada vez que Alice mide, en realidad interroga a su partícula sobre qué obtendrá Bob si lanza una moneda: ¿arriba o abajo? Las probabilidades de predecir correctamente esto incluso 200 veces seguidas son de 1 en 1060, un número mayor que todos los átomos del sistema solar. Sin embargo, a pesar de los miles de millones de kilómetros que separan a los pares de partículas, la mecánica cuántica dice que las partículas de Alice pueden seguir prediciendo correctamente, como si estuvieran conectadas telepáticamente con las partículas de Bob.

Aunque el objetivo era revelar las imperfecciones de la mecánica cuántica, cuando se llevan a cabo versiones reales del experimento mental EPR, los resultados refuerzan los principios más desconcertantes de la teoría. Según la mecánica cuántica, la naturaleza no es localmente real: las partículas carecen de propiedades como el espín ascendente o descendente antes de la medición y parecen comunicarse entre sí sin importar la distancia.

Los físicos escépticos respecto de la mecánica cuántica propusieron que existían “variables ocultas”, factores que existían en algún nivel imperceptible de realidad por debajo del reino subatómico y que contenían información sobre el estado futuro de una partícula. Esperaban que, en las teorías de variables ocultas, la naturaleza pudiera recuperar el realismo local que le negaba la mecánica cuántica.

“Uno habría pensado que los argumentos de Einstein, Podolsky y Rosen producirían una revolución en ese momento, y todo el mundo habría comenzado a trabajar en variables ocultas”, dice Popescu.

Sin embargo, el “ataque” de Einstein a la mecánica cuántica no tuvo eco entre los físicos, que en general aceptaron la mecánica cuántica tal como era. A menudo, no se trataba tanto de una aceptación reflexiva de la realidad no local como de un deseo de no pensar demasiado mientras se estudiaba física, un sentimiento de “esconder la cabeza bajo la tierra” que luego el físico David Mermin resumió como una exigencia de “callarse y calcular”.

La falta de interés se debió en parte a que John von Neumann, un científico muy respetado, había publicado en 1932 una prueba matemática que descartaba las teorías de variables ocultas. (La prueba de von Neumann, hay que decirlo, fue refutada sólo tres años después por una joven matemática, Grete Hermann, pero en ese momento nadie pareció notarlo.)

El problema del realismo no local en la mecánica cuántica languidecería en un estupor complaciente durante otras tres décadas hasta que Bell lo destrozó decisivamente. Desde el comienzo de su carrera, Bell se sintió molesto por la ortodoxia cuántica y simpatizó con las teorías de variables ocultas. La inspiración lo golpeó en 1952, cuando se enteró de una interpretación viable de la mecánica cuántica basada en variables ocultas no locales ideada por su colega físico David Bohm, algo que von Neumann había afirmado que era imposible. Bell reflexionó sobre las ideas durante años, como un proyecto secundario a su trabajo principal como físico de partículas en el CERN.

En 1964, Bell redescubrió los mismos fallos que Hermann había descubierto en el argumento de von Neumann y, en un triunfo del pensamiento riguroso, Bell ideó un teorema que sacó la cuestión de las variables ocultas de su atolladero metafísico y la llevó al terreno concreto del experimento.

Normalmente, las teorías de variables ocultas y la mecánica cuántica predicen resultados experimentales indistinguibles. Bell se dio cuenta de que, en circunstancias precisas, puede surgir una discrepancia empírica entre ambas. En la prueba de Bell que lleva su nombre (una evolución del experimento mental EPR), Alice y Bob reciben las mismas partículas emparejadas, pero ahora cada uno tiene dos configuraciones de detector diferentes: A y a, B y b. Estas configuraciones de detector permiten a Alice y Bob hacer preguntas diferentes a las partículas; un truco adicional para desmentir su aparente telepatía. En las teorías locales de variables ocultas, donde su estado está predeterminado y nada las vincula, las partículas no pueden burlar este paso adicional y no siempre pueden lograr la correlación perfecta en la que Alice mide el espín hacia abajo mientras que Bob mide el espín hacia arriba (y viceversa). Pero en la mecánica cuántica, las partículas permanecen conectadas y mucho más correlacionadas de lo que podrían estar en las teorías locales de variables ocultas. Están, en una palabra, entrelazadas.

Por lo tanto, medir la correlación varias veces para muchos pares de partículas podría demostrar qué teoría era correcta. Si la correlación permanecía por debajo de un límite derivado del teorema de Bell, esto sugeriría que las variables ocultas eran reales; si superaba el límite de Bell, entonces los principios alucinantes de la mecánica cuántica reinarían supremos. Y, sin embargo, a pesar de su potencial para ayudar a determinar la naturaleza misma de la realidad, después de ser publicado en una revista relativamente oscura, el teorema de Bell languideció sin ser notado durante años.

LA CAMPANA ESTÁ SUENA PARA TI

En 1967, John Clauser, entonces estudiante de posgrado en la Universidad de Columbia, se topó accidentalmente con una copia de la biblioteca del artículo de Bell y quedó fascinado por la posibilidad de demostrar que las teorías de variables ocultas eran correctas. Clauser le escribió a Bell dos años después para preguntarle si alguien había realizado realmente la prueba. La carta de Clauser fue una de las primeras respuestas que recibió Bell.

Cinco años después, con el apoyo de Bell, Clauser y su estudiante de posgrado Stuart Freedman realizaron la primera prueba de Bell. Clauser había obtenido el permiso de sus supervisores, pero no contaba con fondos suficientes, por lo que, como dijo en una entrevista posterior, se convirtió en un experto en “bucear en contenedores de basura” para conseguir el equipo, parte del cual él y Freedman luego unieron con cinta adhesiva. En el dispositivo de Clauser (un aparato del tamaño de un kayak que requería un ajuste cuidadoso a mano) se enviaban pares de fotones en direcciones opuestas hacia detectores que podían medir su estado o polarización.

Desafortunadamente para Clauser y su obsesión por las variables ocultas, una vez que él y Freedman completaron su análisis, no pudieron evitar concluir que habían encontrado evidencia sólida en su contra. Aun así, el resultado no fue concluyente, debido a varias “lagunas” en el experimento que posiblemente podrían permitir que la influencia de las variables ocultas se filtrara sin ser detectada. La más preocupante de ellas era la laguna de la localidad: si la fuente de fotones o los detectores hubieran podido compartir información de alguna manera (una hazaña plausible dentro de los confines de un objeto del tamaño de un kayak), las correlaciones medidas resultantes aún podrían surgir de las variables ocultas. Como Kaiser lo expresa concisamente, si Alice le tuitea a Bob en qué configuración del detector se encuentra, esa interferencia hace imposible descartar las variables ocultas.

Cerrar la laguna de la localidad es más fácil de decir que de hacer. La configuración del detector debe cambiarse rápidamente mientras los fotones están en movimiento; “rápidamente” significa en cuestión de meros nanosegundos. En 1976, un joven experto francés en óptica, Alain Aspect, propuso una forma de hacer este cambio ultrarrápido. Los resultados experimentales de su grupo, publicados en 1982, no hicieron más que reforzar los resultados de Clauser: las variables ocultas locales parecían extremadamente improbables.

“Tal vez la naturaleza no sea tan extraña como la mecánica cuántica”, escribió Bell en respuesta a los resultados iniciales de Aspect. “Pero la situación experimental no es muy alentadora desde este punto de vista”.

Sin embargo, todavía quedaban otras lagunas y, por desgracia, Bell murió en 1990 sin presenciar su cierre. Incluso el experimento de Aspect no había descartado por completo los efectos locales porque se había llevado a cabo en una distancia demasiado pequeña. De manera similar, como Clauser y otros habían notado, si Alice y Bob no se aseguraban de detectar una muestra representativa imparcial de partículas, podrían llegar a conclusiones erróneas.

Nadie se apresuró a cerrar estas lagunas con más entusiasmo que Anton Zeilinger, un físico austríaco ambicioso y sociable. En 1998, él y su equipo mejoraron el trabajo anterior de Aspect al realizar una prueba de Bell a una distancia entonces sin precedentes de casi medio kilómetro. La era de adivinar la no localidad de la realidad a partir de experimentos del tamaño de un kayak había llegado a su fin. Finalmente, en 2013, el grupo de Zeilinger dio el siguiente paso lógico, abordando múltiples lagunas al mismo tiempo.

“Antes de la mecánica cuántica, en realidad me interesaba la ingeniería. Me gusta construir cosas con mis manos”, dice Marissa Giustina, investigadora cuántica de Google que trabajó con Zeilinger.   “En retrospectiva, un experimento de Bell sin lagunas es un proyecto gigante de ingeniería de sistemas”.

Un requisito para crear un experimento que cerrara múltiples lagunas era encontrar un túnel de 60 metros perfectamente recto y desocupado con acceso a cables de fibra óptica. Resultó que la mazmorra del palacio Hofburg de Viena era un entorno casi ideal, aparte de estar cubierta de polvo durante un siglo. Sus resultados, publicados en 2015, coincidieron con pruebas similares de otros dos grupos que también encontraron que la mecánica cuántica era tan perfecta como siempre.

LA PRUEBA DE BELL VA A LAS ESTRELLAS

Quedaba por cerrar, o al menos reducir, una gran laguna. Cualquier conexión física previa entre componentes, por muy distante que sea en el pasado, tiene la posibilidad de interferir con la validez de los resultados de una prueba de Bell. Si Alice le da la mano a Bob antes de partir en una nave espacial, comparten un pasado. Parece inverosímil que una teoría de variables ocultas locales aproveche estas lagunas, pero aún es posible.

En 2017, un equipo que incluía a Kaiser y Zeilinger realizó una prueba cósmica de Bell. Utilizando telescopios en las Islas Canarias, el equipo tomó decisiones aleatorias para la configuración del detector de estrellas suficientemente alejadas en el cielo como para que la luz de una no llegara a la otra durante cientos de años, lo que garantizaba una brecha de siglos en su pasado cósmico compartido. Sin embargo, incluso entonces, la mecánica cuántica volvió a demostrar su triunfo.

Una de las principales dificultades para explicar la importancia de las pruebas de Bell al público (y también a los físicos escépticos) es la percepción de que la veracidad de la mecánica cuántica era una conclusión inevitable. Después de todo, los investigadores han medido muchos aspectos clave de la mecánica cuántica con una precisión de más de 10 partes por mil millones.

“En realidad no quería trabajar en eso. Pensé: ‘Vamos, esto es física antigua. Todos sabemos lo que va a pasar’”, dice Giustina.

Pero la precisión de la mecánica cuántica no podía descartar la posibilidad de variables locales ocultas; sólo las pruebas de Bell podían hacerlo.

“Lo que atrajo a cada uno de estos ganadores del Nobel hacia el tema, y ​​lo que atrajo al propio John Bell, fue de hecho [la pregunta]: ‘¿Puede el mundo funcionar de esa manera?’”, dice Kaiser. “¿Y cómo podemos saberlo realmente con seguridad?” Lo que las pruebas de Bell permiten hacer a los físicos es eliminar el sesgo de los juicios estéticos antropocéntricos de la ecuación; purgando de su trabajo las partes de la cognición humana que retroceden ante la posibilidad de un entrelazamiento inquietantemente inexplicable, o que se burlan de las teorías de variables ocultas como si fueran simplemente más debates sobre cuántos ángeles pueden bailar sobre la cabeza de un alfiler. El premio honra a Clauser, Aspect y Zeilinger, pero es un testimonio de todos los investigadores que no estaban satisfechos con las explicaciones superficiales sobre la mecánica cuántica, y que hicieron sus preguntas incluso cuando hacerlo era impopular.

“Los tests de Bell”, concluye Giustina, “son una forma muy útil de mirar la realidad”.