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Con el propósito de robustecer la discusión en torno al enredamiento y la información cuántica, temas de investigación reconocidos por la Real Academia de las Ciencias de Suecia con el Premio Nobel de Física 2022, el Instituto de Física de la UNAM presentó una mesa redonda donde, además de establecer los pilares sobre los que descansa el entrelazamiento cuántico, se discutió con la audiencia presente sobre las aplicaciones prácticas que tendría este fenómeno comprobado por los recientes galardonados.

El evento titulado “Premio Nobel de Física 2022. Información cuántica” se presentó en el auditorio Alejandra Jáidar del Instituto de Física y fue moderado por la Dra. Rocío Jáuregui Renaud, investigadora del departamento de Física Cuántica y Fotónica del mismo. Además, formaron parte de la mesa la Dra. Andrea Valdés Hernández y el Dr. Daniel Sahágun Sánchez, ambos investigadores del Instituto de Física; también estuvo el Dr. Alfred U'Ren Cortés, del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN), y el Dr. Pablo Barberis Blostein, del Instituto de Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y en Sistemas (IIMAS).

El Premio Nobel de Física de este año fue entregado a tres investigadores: Alain Aspect, del Institut d’Optique Graduate School, de la École polytechnique, en Francia; John F. Clauser, del J. F. Clauser and Associates, de Estados Unidos, y Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, en Austria. Los tres recibieron en la misma proporción el galardón de 2022 en el área de física “por los experimentos de entrelazamiento cuántico, por establecer la violación de las desigualdades de Bell y por ser pioneros en las ciencias de la información cuántica”. Los investigadores han desarrollado un trabajo trascendental en el campo de la física cuántica que ha transformado el área en sí misma y que podría revolucionar otras, como la de la computación y la criptografía, por mencionar algunas.

Para dar una introducción al tema del entrelazamiento cuántico, la Dra. Jáuregui expuso el contexto histórico en el que se encuentra este campo de estudio y ofreció un panorama del estado de la cuestión. Explicó que fue en 1935, con el trabajo realizado por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen, que se hizo visible que el estado de un sistema formado por dos subsistemas podía exhibir propiedades de correlación no local y que contradecían lo establecido por la física clásica. Con esto, la mecánica cuántica se consideró como un cuerpo teórico incompleto que podía ser completado con variables clásicas desconocidas. En ese mismo año, Ernst Schrödinger acuñó el término de “entrelazamiento cuántico”.

También mencionó que, más adelante, en 1964, John Stewart Bell propuso uno de los paradigmas de la cuántica porque, en palabras de la Dra. Jáuregui, “llevó a plantear que de manera experimental podrían verificarse o no las ideas de Einstein”, esto a través del análisis de entrelazamiento cuántico de una forma mucho más profunda. Bell dedujo que, dado un par entrelazado, si las mediciones se realizan de una forma independiente en dos subsistemas separados, entonces la suposición de que el resultado depende de variables ocultas dentro de cada subsistema implicaría una restricción matemática sobre cómo se correlacionan los resultados en las mediciones. Dichas restricciones serían llamadas luego como desigualdades de Bell.

Así lo planteó la Dra. Rocío, quien además expuso los tres experimentos que sustentan el Premio Nobel de Física 2022 midieron violaciones de las desigualdades de Bell. “Dichos experimentos resultan importantes porque, al comprobarse la existencia de estas correlaciones, se plantearon varias propuestas para su implementación”. De ahí el término de la información cuántica.” Además, se planteó un campo interdisciplinario que involucra la mecánica cuántica y a la teoría de la información, también entra en áreas de la filosofía, la neurociencia y las ciencias cognitivas.

Al inicio de la mesa redonda, la Dra. Valdés Hernández explicó qué propiedad en la descripción matemática de la mecánica cuántica da origen al entrelazamiento, así como su interpretación física del fenómeno. “Matemáticamente, un sistema cuántico se describe con una función de onda. Cuando uno tiene un sistema compuesto, esa función de onda debe describir los subsistemas. Cuando el sistema no está enredado, es decir que cuando el estado físico del sistema compuesto está bien definido, tengo un vector de estado para ese sistema total y puedo tener bien definidas las partes. El estado completo tiene una función de onda para el total y hay una función de onda para las partes. Matemáticamente, esa función de onda es factorizable, no hay enredamientos y uno puede pensar en el ejemplo de la moneda”, explicó. A esto, la doctora agregó que las dos posibilidades pueden estar en una superposición coherente cuántica, que es una propiedad característica de las ondas. “Esta superposición, que matemáticamente es resultado de la linealidad de la ecuación de Schrödinger, es la que da pie a que haya estados accesibles para los sistemas cuánticos en los que no podemos encontrar a los sistemas clásicos”, mencionó.

Durante la discusión, el Dr. Barberis Blostein mencionó que lo más importante del trabajo de los galardonados radica en la demostración de la existencia de los estados enredados: “Sus experimentos son muy importantes en el sentido de que nos dijeron con qué teorías no valía la pena continuar y además se abre todo un camino para poder aprovechar estas nuevas correlaciones, que gran parte de la comunidad pensaba que no existían, para hacer avances tecnológicos. Por ejemplo, los experimentos de transmisión de información cuántica, que no serían posibles si no existiera el enredamiento”, mencionó.

Además, una de las preguntas que surgieron durante esta mesa redonda fue con respecto a si el estado de un sistema no entrelazado es clásico, específicamente por la estadística, como sucede en el estado de un sólo fotón. Sin embargo, el Dr. U´Ren Cortés afirmó que: “hay definitivamente estados que son cuánticos y que no tienen enredamiento. Es decir, el enredamiento cuántico es una de las características que diferencia entre la física clásica y la física cuántica, y es una característica que puede tener un sistema cuántico, pero no quiere decir que en todos los casos vaya a aparecer”, comentó. “Entonces, en realidad se necesita, primero que nada, que sea un sistema multipartita, es decir, que tenga al menos dos subpartes o más, pero un sistema que tiene una sola parte no puede tener enredamiento.” De ahí que, si se tiene una sola partícula, o un sólo fotón, el enredamiento es inexistente y el sistema seguiría siendo cuántico. Además, el investigador del ICN agregó respecto al experimento que llevó al Premio Nobel 2022 que fue el comienzo de grandes hallazgos: “no significa que el enredamiento haya sido entendido al cien por ciento. No resuelve todos los problemas del enredamiento, pero sí abre la investigación de un nuevo campo”.

La información cuántica es uno de los puntos más importantes para el Premio Nobel de este año y es que, en el futuro, esta investigación podría traernos hallazgos importantes. Ante esto, el Dr. Barberis diferenció la información cuántica de la información clásica: “manipular la información es una cosa, y otra es utilizar mecánica cuántica para manipular la información. Sería un subconjunto para manipular la información. Yo considero que, si no se usa ninguna particularidad de la mecánica cuántica para manipular la información, podría no ser información cuántica”. Y es que lo que diferencia a la información cuántica de la información clásica es precisamente que la primera es producida por una fuente cuántica. La Dra. Valdés complementó diciendo que: “No todos los protocolos de información cuántica requieren enredamiento, aunque es muy poderoso para muchos de ellos. Yo creo que el punto de la información cuántica es hacer uso de algún aspecto cuántico del sistema”.

Otro de los aspectos abordados en la discusión se relaciona con las posibles aplicaciones tecnológicas a las que se vincula el galardón Nobel de esta edición; a saber, el internet cuántico, repetidores cuánticos, criptografía cuántica, entre otros. Ante esto, el Dr. Barberis mencionó que las primeras plataformas que se usaron fueron con átomos fríos o fotones enredados, con los que se podría desarrollar la información cuántica. Sin embargo, también podría hacerse con cristales no lineales y una diversidad de plataformas. El investigador del IIMAS reconoció que considera a esta área como interesante porque “uno tiene muchas preguntas de ciencia básica mezcladas con una gran potencialidad de desarrollo tecnológico.” Como ejemplo, está la criptografía cuántica, un área de investigación a la que se ha invertido recursos por la importancia que representa la transmisión de información entre dos puntos con un protocolo que resulta imbatible.

Por su parte, el Dr. Sahágun Sánchez agregó que la plataforma que explote la información cuántica no será una en la que gane en todos los sentidos, pues “por ejemplo, con átomos no se pueden hacer memorias. Es difícil controlar los estados entrelazados que generan. Entonces, al final, lo que creo que va a suceder es que cada tipo de experimentos va a proporcionar una plataforma que es más adecuada para cierta función”, puntualizó.

Algunos asistentes también pudieron participar mediante una ronda de preguntas.