El entrelazamiento cuántico comentado desde el Departamento de Física Cuántica de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).

Expertos de la UNAM abordan en conferencia conceptos acerca del entrelazamiento cuántico.

Imagen de la conferencia virtual ofrecida el once de octubre pasado por los  doctores Daniel Sahagún Sánches (arriba a la izquierda), Alfred Barry U'Ren Cortéz (arriba a la derecha) y  Rocío Jauregui Renaud (abajo). Tomada de Suplemento Campus. com.

En una muy interesante y emocionada conferencia virtual, la doctora en Ciencias Rocío Jáuregui Renaud, investigadora del departamento de Física Cuántica y Fotónica del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), conjuntamente con los doctores Daniel Sahagún Sánchez y Alfred Barry U'Ren Cortés, abordaron algunos de los conceptos relacionados con los hallazgos sobre el "entrelazamiento cuántico", de los científicos a quienes les fue otorgado la semana pasada el Premio Nobel de Física correspondiente al año 2022; a saber:  Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger.

El "entrelazamiento cuántico" se trata de un mecanismo que consiste en que dos partículas mantienen una correlación, a pesar de la distancia entre ellas. Las partículas a las que se refiere son cuerpos de pequeñas dimensiones, es decir, un pequeño objeto localizado al que se le pueden atribuir varias propiedades físicas o químicas, como pueden ser: átomos, iones, moléculas o pequeños grupos de las anteriores especies químicas, e incluso quarks, entre los que se incluyen fotones y electrones. El comité del Nobel expresó que la distinción se otorgaba a los tres científicos en consecuencia de los experimento realizados por ellos, con fotones entrelazados que establecieron la violación de las desigualdades de Bell y ser pioneros en la ciencia de la información cuántica.

Cabe aclarar que un ión es una partícula cargada eléctricamente, constituida por un átomo o molécula, que no es eléctricamente neutro. Conceptualmente esto se puede entender como que, a partir de un estado neutro de un átomo o molécula, se han ganado o perdido electrones.

Los investigadores participantes en esta exposición en línea están adscritos al Instituto de Física de la UNAM, la doctora es la coordinadora de El Laboratorio Nacional de Materia Cuántica: Materia Ultrafría e Información Cuántica (LANMAC), el doctor Sahagún está designado como investigador en El Laboratorio de Átomos Fríos y Óptica Cuántica del Instituto de física de la UNAM, dependiente de (LANMAC), y el doctor U'Ren  es actualmente coordinador de El Laboratorio de Óptica Cuántica, así fue que la doctora Jauregui, realizó la introducción, reseñando lo sucedido en el transcurso de los siglos Veinte y Veintiuno, sobre estos temas:

Desde hace más de un siglo, los científicos llegaron a la conclusión de que estructuras a escalas nanométricas como átomos o moléculas no se pueden describir por medio de la mecánica clásica. A partir de eso surgió la mecánica cuántica, con la particularidad de que a diferencia de las teorías deterministas en que los valores de cálculo son específicos, en ésta última, sólo se trabaja con probabilidades sobre los valores que posee un sistema. En el año 1935, Albert Eistein, Borís Yákovlevich Podolski  y Nathan Rosen, probaron convincentemente que las probabilidades en el aspecto cuántico no eran iguales a las del modo clásico, idearon un experimento mental de donde se infiere que al cuestionar la validez de la mecánica cuántica, se proponen localidad y realismo como atributos necesarios de cualquier teoría física.

Ilustración de "Las Desigualdades de Bell", sin matemáticas. Tomada de es. Slideshare. net.

En 1964 es John Stewart Bell (1928 - 1990), quién establece un esquema para cuantitativamente distinguir la estadística derivada de un sistema entrelazado y uno clásico mediante una desigualdad. Desarrolla el método para determinar si un sistema físico cumple con localidad y realismo. Se establece la factibilidad de que la "Teoría Cuántica" estaba incompleta,  y agregando las variables locales, ocultas y raras, voy a conseguir la demostración de que eso es cierto. Entre 1969 y 1972 se encuentra la primera violación a la "Desigualdad de Bell" mediante parejas de fotones emitidos por cascadas atómicas.  En 1972, John Clauser y Stuart Freedman hacen un experimento para y confirman que la estadística es cuántica y y no clásica con variables ocultas locales, pero al revisar el experimento se le encontraron lagunas, por ello, en 1982, Alain Aspect, Philippe Grangier y Gérard Roger establecen similar experimento otorgando mayores certezas, aún cuando no totales. Entre 1981 y 1982 se cierran "las lagunas", el "loop-hole" de localidad en nueva generación de experimentos de violación de "Desigualdades de Bell" con cascadas atómicas. En 1997, Zellinger y su equipo, obtienen experimentalmente la teleportación de un estado cuántico; de ello podemos concluir que el Premio Nobel 2022, se otorga por un experimento pionero y dos experimentos subsecuentes que eliminan las dudas surgidas originalmente. Y esto cambia nuestra forma de ver las cosas con respecto a la comunicación, es decir, la información puede ser transmitida por medio de fotones entrelazados, y ello modifica todo lo anterior para abrir paso a la etapa de la "Información Cuántica".

El doctor Daniel Sahagún Sánchez, se refirió al aspecto experimental, en forma específica a las analogías de los realizados por Alain Aspect y John Clauser, y los que él lleva a cabo en el laboratorio, utilizando átomos y haces de luz resonante, lo que genera luz entrelazada. En 1972, los expertos usaron calcio y luz ultravioleta, y en consecuencia de que dado que un par de fotones emerge de los polarizadores, su probabilidad de detección en coincidencia es independiente de la dirección de los polarizadores, y tuvo "lagunas" al no captar el total de la luz. Para 1982 Alain Aspect concluyó que el ensamble de los fotones detectados es independiente de las orientaciones de los polarímetros, y captó la luz totalmente.

La investigación básica en el desarrollo se da en: Estado Cuántico, Distribución del Entrelazamiento, Información, Telecomunicaciones, Imagenología y Metrología. La "nueva manera de mirar la comunicación, la transmisión de la información" flotara en tu mente.

En el laboratorio usamos átomos fríos y también átomos calientes y con estos ganamos luz más rica, pues se generan vórtices. Es decir haces de luz entrelazados, y con ellos una aplicación: multiplexing. La multiplexación es la técnica de combinar dos o más señales, y transmitirlas por un solo medio de transmisión, su principal ventaja es que permite varias comunicaciones de forma simultánea, usando un dispositivo llamado multiplexor. El proceso inverso se conoce como demultiplexación.

Logo del Laboratorio Nacional de Materia Cuántica: Materia Ultrafría e Información cuántica. Lanmac. org. mx.

Finalmente es el turno del doctor Alfred Barry U'Ren Cortés, inicia con la presentación del resumen de los logros realizados hasta 1982, y es entonces cuando se incorpora el uso de una nueva herramienta que se conoce como: "Conversión Paramétrica Descendente Espontánea" (SPDC), un método confiable y eficiente. En 1970 se realiza la primera demostración completa del (SPDC). En 1988, dos equipos de científicos de las Universidades de Rochester y Maryland, llevan cabo un experimentos independientes de las violaciones de las "Desigualdades de Bell" con (SPDC). Y en el año 1995 Anton Zeillinger participa en un nuevo experimento para generar la violación a la "Desigualdad de Bell", creando desde un inicio de la prueba la formación de parejas de fotones entrelazados, hasta aquí todo el fundamento y alcance fue teórico, en el sentido de que su objetivo era demostrar que la Teoría Cuántica era una teoría completa. En 1997, con la participación del mismo Anton Zeillinger, se inicia la etapa de la explotación de nuevas tecnologías, esto es, la aplicación práctica de lo teórico, pues se logra la teleportación de un fotón, esto es, de un estado cuántico, lo que es sorprendente, y en el año 1998 se consigue un "intercambio de enredamiento". Posteriormente Zeillinger participa en un nuevo experimento que logra cerrar los "Loop-Hole" por completo, cuando anteriormente sólo se habían logrado cierres parciales.

Y muestra entonces los experimentos realizados en el Laboratorio de Óptica Cuántica de ciencias nucleares de la UNAM, en primer término, durante el año 2021 se realizó un experimento en el que se ha sustituido el cristal ultraplano por una microsesfera, situación que es trabajada por primera vez en el mundo, con una fibra estrechada, se van obteniendo parejas de fotones entrelazados que reúnen condiciones únicas y que al entrar a la microsesfera y girar en ella, como por ejemplo un ancho espectral más corto jamás obtenido; así mismo, en otro experimento de microscopía de coherencia óptica cuántica,  las parejas de fotones entrelazados interactúan con un tejido orgánico, en esta caso una ala de libélula, para aplicaciones a la imagenología, mediante el estudio morfológico.

En nuestro país contamos con una estructura sólida en Tecnologías Cuánticas: la "Red de Tecnologías Cuánticas" del Conacyt, la "División de Información Cuántica de la Sociedad Mexicana de Física" y el "Laboratorio Nacional de Materia Cuántica". 

Fotografía del logo de la Red de Tecnologías Cuánticas y del Instituto de Física UNAM. Tomada de Face Book. Com.

A partir de esa nueva disciplina se han observado y estudiado propiedades como la del entrelazamiento de fotones, la información cuántica  y las llamadas desigualdades de Bell, que han sido discutidas ampliamente por la comunidad científica. Desde estos trabajos se han realizado hallazgos que ya han empezado a implementarse en ámbitos prácticos, como los láseres y aplicaciones en algunos teléfonos celulares.

El campo, es todavía muy prometedor, los doctores prevén que su empleo se extienda todavía en mayor grado, a operaciones numéricas, utilizando "computadoras cuánticas", a la "imageneología cuántica", para recoger imágenes de mayor resolución en campos como la medicina; la "metrología cuántica", que ha permitido la construcción de relojes capaces de medir errores de un segundo en la edad del universo, la "óptica cuántica" que es un campo de investigación que se ocupa de la aplicación de la mecánica cuántica a fenómenos que implican la luz y sus interacciones con la materia, así como la "criptografía cuántica", utilizada para la codificación de sistemas de seguridad, pues garantiza la absoluta confidencialidad de la información transmitida.

A pregunta expresa sobre las problemáticas económicas y patrocinios que se tienen en el país, el investigador, Alfred Barry U’Ren del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, explicó: "Este campo de la física se estudia en México desde hace más de ochenta años, primero a nivel teórico, pero desde hace alrededor de dos décadas mediante la experimentación. Hace treinta o cuarenta años hubiera sido imposible tener laboratorios como los actuales, se cuentan con diez de ellos en funcionamiento, en diversos estados de la república: Guanajuato, San Luis Potosí, Baja California, Querétaro y la Ciudad de México, y uno más en desarrollo. Y con el conjunto de financiamiento de diversas fuentes hemos sido capaces de montar los que están produciendo cosas competitivas a nivel internacional, comparativamente lejos de las potencias económicas, pero, sin duda, a la cabeza de la región latinoamericana”.

Einstein estaba dudoso de la Mecánica Cuántica, y en 1935, aportó la paradoja, en compañía de Podolski y Rosen, aquí se caricaturiza su posición de incredulidad. Tomada de El Definido. cl.

Los tres doctores coincidieron  que en comparación con los logros y avances concretos en países como: China o Estados Unidos o en la Unión Europea, nos falta ,más inversión en el terreno científico,  y entonces es claro que para nuestro país se requiere todavía de un mayor financiamiento en esos términos.

Recomiendo seguir la exposición integra de a disertación en Face Book con #Conferencia Los #ExpertosUNAM Rocío Jáuregui Renaud, Daniel Sahagún Sánchez y Alfred Barry U'Ren Cortés explican los trabajos del entrelazamiento. 

Las posibilidad en este campo son muy amplias, cualquier cosa que se aproxime  a la realidad que se tendrá en cinco o diez años será inesperada, pero sus aportaciones en beneficio de la ciencia y la humanidad no están en duda, la Machincuepa Cuántica seguirá reportándolas.