Cierran el círculo en torno al comportamiento cuántico de los fotones

Un equipo de la Universidad de Viena (Austria), dirigido por el físico austriaco Anton Zeilinger, ha llevado a cabo un experimento con fotones, con el que han cerrado una laguna importante.

Los investigadores han conseguido con él la prueba experimental más completa de que el mundo cuántico está en conflicto con nuestra experiencia cotidiana. Los resultados de este estudio se publican esta semana en la revista Nature.

Cuando se observa un objeto, se hacen una serie de suposiciones intuitivas, entre ellas que las propiedades únicas del objeto han sido determinadas antes de la observación y que estas propiedades son independientes del estado de otros objetos, distantes. En la vida cotidiana, estas suposiciones están plenamente justificadas, pero las cosas son diferentes a nivel cuántico.

En los últimos 30 años, varios experimentos han demostrado que el comportamiento de las partículas cuánticas -tales como átomos, electrones o fotones- puede estar en conflicto con nuestra intuición básica. Sin embargo, estos experimentos nunca han conseguido respuestas definitivas.

Hasta ahora, todos los experimentos han dejado abierta la posibilidad, al menos en principio, de que las partículas observadas "aprovecharan" una debilidad del sistema experimental.

La física cuántica es una herramienta exquisitamente precisa para comprender el mundo que nos rodea a un nivel muy fundamental. Al mismo tiempo, es una base para la tecnología moderna: semiconductores (y por lo tanto, ordenadores), láseres, escáneres de resonancia magnética, y otros numerosos dispositivos se basan en efectos físicos cuánticos.

Sin embargo, incluso después de más de un siglo de intensa investigación, los aspectos fundamentales de la teoría cuántica no son del todo claros. De manera regular, laboratorios de todo el mundo han obtenido resultados que parecen en contradicción con nuestra intuición cotidiana, pero que se pueden explicar en el marco de la teoría cuántica.

El entrelazamiento cuántico

Los resultados de los físicos de Viena no reflejan un efecto nuevo, sino una profunda investigación en uno de los fenómenos más fundamentales de la física cuántica, conocido como "entrelazamiento" (entanglement). El efecto del entrelazamiento cuántico es increíble: al medir un objeto cuántico que tiene una pareja "entrelazada", el estado de la partícula 1 depende de las mediciones realizadas en su pareja.

La teoría cuántica describe el enredo como independiente de cualquier separación física entre las partículas. Es decir, el entrelazamiento también puede ser observado cuando las dos partículas están lo suficientemente separadas la una de la otra de modo que no pueden intercambiar información entre ellas (la velocidad de comunicación está fundamentalmente limitada por la velocidad de la luz). Probar tales predicciones con respecto a las correlaciones entre las partículas cuánticas entrelazadas es, sin embargo, un reto experimental importante.

Hacia una respuesta definitiva

Los jóvenes universitarios del grupo de Anton Zeilinger, entre ellos Marissa Giustina, Alexandra Mech, Rupert Ursin, Sven Ramelow y Bernhard Wittmann, en una colaboración internacional con el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología/NIST (EE.UU.), el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Alemania), y el Instituto de Óptica Cuántica Max Planck (Alemania), han dado un importante paso hacia la obtención de pruebas definitivas experimentales de que las partículas cuánticas sí pueden hacer cosas que la física clásica no permite que ellos hagan.

Para su experimento, el equipo construyó una de las mejores fuentes de pares de fotones entrelazados en todo el mundo y empleó detectores de fotones de alta eficiencia diseñados por expertos del NIST.

Estos avances tecnológicos junto con un protocolo de medición adecuado permitieron a los investigadores detectar fotones entrelazados con una eficiencia sin precedentes. En pocas palabras: "Nuestros fotones ya no pueden escabullirse de ser medidos", afirma Zeilinger en la nota de prensa de la Universidad de Viena.

Un último paso

Aunque el nuevo experimento hace que los fotones sean las primeras partículas cuánticas para las cuales, en varios experimentos separados, se han cerrado todas las escapatorias posibles, aún falta el broche de oro, es decir, un experimento individual en el que se les cierren dichas escapatorias.

Tal experimento también sería de importancia fundamental para una aplicación práctica importante: la 'criptografía cuántica', que se basa en principios mecánicos cuánticos y se considera que es totalmente segura contra las escuchas. El espionaje es aún, sin embargo, teóricamente posible, dado que sigue habiendo lagunas. Sólo cuando todas estos están cerradas será posible un intercambio completamente seguro de mensajes.

Un experimento sin lagunas, dice Zeilinger, "es un gran reto, que atrae a grupos de todo el mundo." Estos experimentos no se limitan a los fotones, sino que también incluyen a los átomos, electrones, y otros sistemas que muestran un comportamiento mecánico cuántico. El experimento de los físicos austriacos destaca el potencial de los fotones.

Gracias a estos últimos avances, el fotón se está quedando sin lugares donde esconderse, y los físicos cuánticos están más cerca que nunca de la prueba experimental concluyente de que la física cuántica desafía nuestra intuición y la experiencia cotidiana en la medida sugerida por la investigación de las últimas décadas.