Información cuántica y comunicación encriptada, cómo son los estudios pioneros de los Nobel de Física 2022

Los científicos Alain Aspect (Francia), John F. Clauser (EEUU) y Anton Zeilingier (Austria) fueron distinguidos con el Premio Nobel de Física 2022 por la Real Academia de Ciencias de Suecia por sus investigaciones pioneras sobre el poder de la mecánica cuántica, que han despejado el camino para nuevas tecnologías basadas en información cuántica.

El Instituto Karolinska en Estocolmo indicó que los ganadores “llevaron a cabo experimentos innovadores utilizando estados cuánticos entrelazados”. El premio fue concedido “por los experimentos con fotones enredados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica”.

El trabajo de los tres físicos se ha centrado en explorar cómo interactúan dos partículas, comportándose como una sola unidad, incluso cuando están muy separadas. El fenómeno fue apodado como “fantasmagórica acción a distancia” por Albert Einstein.

“Los efectos inefables de la mecánica cuántica están comenzando a encontrar aplicaciones. Ahora existe un gran campo de investigación que incluye computadoras cuánticas, redes cuánticas y comunicación cifrada cuántica segura”, detalló el jurado.

El trabajo de los laureados se basa en las investigaciones del físico John Stewart Bell, un científico que en la década de 1960 desarrolló el concepto de la desigualdad matemática que lleva su nombre. Este establece que si hay variables ocultas, la correlación entre los resultados de un gran número de mediciones nunca excederá un cierto valor. Sin embargo, la mecánica cuántica predice que cierto tipo de experimento violará la desigualdad de Bell, lo que resultará en una correlación más fuerte de lo que sería posible de otro modo, destacaron los integrantes de la academia sueca.

Según la mecánica cuántica, las partículas pueden existir simultáneamente en dos o más lugares. No adquieren propiedades formales hasta que se miden u observan de alguna manera. En 1972, el estadounidense Clauser, se esforzó por medir el entrelazamiento cuántico disparando miles de fotones en direcciones opuestas para investigar una propiedad conocida como polarización. Cuando midió las polarizaciones de los pares de fotones, mostraron una correlación, demostrando que se había violado un principio llamado desigualdad de Bell y que los pares de fotones estaban entrelazados o actuando en conjunto.

La investigación fue retomada 10 años después por el francés Aspect, su equipo en la Universidad de París. Luego, en 1998, el austríaco Zeilinger, dirigió otro experimento que consideraba el entrelazamiento entre tres o más partículas.

El austríaco Anton Zeilinger es un pionero en los avances prácticos con la física cuántica y es uno de los científicos más conocidos de su país. La teletransportación de información de una orilla a otra del canal del Danubio o un récord en la distancia de la transferencia -144 kilómetros- de fotones entrelazados para transmitir datos sin conexión entre las islas de La Palma y Tenerife, en España, son algunos de los experimentos que han dado fama a este físico de 77 años.

Con su pelo alborotado y su barba blanca, Zeilinger se ha convertido en una figura mediática en Austria y la prensa le ha dado apodos rimbombantes como “el papa cuántico”, “el hechicero de Viena” o “Mr. Beam” (por la tecnología de teletransporte -“beaming”- que utilizan en la serie Star Trek).

“Este premio es un estímulo para los jóvenes: el premio no sería posible sin los más de 100 jóvenes que trabajaron conmigo a lo largo de los años”, dijo esta mañana tras el anuncio del premio.

Al contrario que en la física clásica, donde los fenómenos y los objetos tienen propiedades fijas, en la física cuántica estas propiedades pueden tener valores múltiples, aunque resulte paradójico.

De esta forma, la física cuántica es un universo de ideas tan desconcertantes como seductoras, tan contrarias al sentido común habitual y tan lejanas a lo cotidiano, que parecen casi mágicas. En este entorno -de partículas entrelazadas, sistemas que colapsan al observarlos, o información que se teletransporta- es donde Zeilinger ha desarrollado la mayor parte de su carrera.

Uno de los experimentos más famosos de Zeilinger tuvo lugar en 1997, cuando consiguió teletransportar partículas de luz. En aquel momento, el fenómeno fue comparado con la tecnología de Star Trek, aunque en realidad se trataba de transmitir información, no materia.

Esto fue posible gracias a una propiedad de la física cuántica conocida como “entrelazamiento”, ya mencionada por Albert Einstein, y que según la cual dos o más partículas generadas en unas condiciones específicas pueden estar conectadas de tal forma que los cambios en una de ellas se ven reflejados en otras, independientemente de la distancia que las separe.

El estudio del entrelazamiento, en el que Zeilinger ha sido pionero, es la base de gran parte de los desarrollos tecnológicos relacionados con la transmisión de información segura que ocupan ahora a científicos de todo el mundo, como el lenguaje cripto o internet cuántica.

El primer satélite de comunicación cuántica de la historia, Micius, fue puesto en órbita a mediados de la década pasada por un equipo de científicos chinos liderado por un discípulo de Zeilinger.

Desde entonces, los avances han sido constantes, culminando en la primera transmisión de larga distancia de un mensaje completamente seguro (esto es, que no se puede interceptar), en junio de 2020. Esta seguridad total, que se deriva de las leyes de la mecánica cuántica que rigen las partículas subatómicas que conforman nuestro universo, descansa sobre la premisa de que no se puede observar un objeto sin modificarlo.

Esta premisa es lo que permitió a Zeilinger realizar la primera videollamada encriptada cuánticamente con un científico chino en Pekín, usando el satélite Micius. Ambos recibieron claves cuánticas que, en el caso de haber sido interceptadas por un observador externo, habrían variado, alertando a los científicos de que la conexión no era segura.

Esta tecnología podría ser utilizada por entidades financieras, gobiernos o instituciones en un futuro cercano para intercambiar datos de forma absolutamente segura.

En la actualidad, Alain Aspect trabaja en la Universidad Paris-Saclay y en la École Polytechnique de Palaiseau, en Francia. John F. Clauser dirige su propio centro de investigación, Clauser & Assoc, en Walnut Creek, California. Por último, Anton Zeilinger investiga en la Universidad de Viena, Austria.

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