Las Naciones Unidas han proclamado 2025 Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas. En este ensayo me gustaría destacar la relevancia cultural de esta proclamación dando testimonio de cómo la Física Cuántica me ayuda, como creyente y físico cuántico, a un indecible disfrute de la presencia de Dios en el mundo en que vivimos y nos movemos.
La Física Cuántica encierra tres grandes paradojas: el Entrelazamiento (“Entanglement”), el Gato de Schrödinger y la Irreversibilidad. El Premio Nobel de Física 2022 fue concedido a John F. Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger, «por experimentos con fotones entrelazados y violaciones de las desigualdades de Bell». Este Premio corona un siglo de trabajo sobre el entrelazamiento cuántico, en el que hemos participado muchos científicos, y que ahora está dando lugar a potentes tecnologías. Intento primero explicar esta fascinante característica cuántica de forma generalmente comprensible.
Todos tenemos experiencias cotidianas de control remoto mediante señales de radio: Si introduzco en mi IPhone el número del móvil de Vd. a cientos o miles de kilómetros de distancia, su móvil sonará, aunque no inmediatamente, sino unos milisegundos después. La comunicación mediante señales de radio, aunque es velocísima, lleva tiempo: varios segundos para llegar a la Luna y varios minutos para llegar a Marte. ¡No puedo guiar el Rover Perseverance en Marte más rápido que la luz!
En un experimento típico de entrelazamiento, una fuente láser S emite pares de fotones: uno de los fotones es guiado por una fibra de vidrio hasta el laboratorio de Alice, y el otro fotón es guiado por una fibra de vidrio en dirección opuesta hasta el laboratorio de Bob.
En el laboratorio de Alice el fotón atraviesa un dispositivo con dos puertos de salida, uno vigilado por el Detector A(1) y el otro por el Detector A(0). Llamamos a este dispositivo ACD (Alice’s Choice Device) ya que al salir de ACD, se produce una elección: el fotón es detectado y contado por A(1), y registramos el resultado como «1», o por A(0), y registramos el resultado como «0». Del mismo modo, en el lado de Bob tenemos un BCD, con detectores B(1) y B(0), y los correspondientes resultados «1» y «0». Las cosas suceden como si Alice y Bob estuvieran lanzando respectivas monedas en sus laboratorios y anotando «1» cuando obtienen «Cruz» y «0» cuando obtienen «Cara».
Disponemos la distancia entre S y ACD de modo que sea igual a la distancia entre S y BCD, con una precisión de algunos micrómetros: así podamos estar seguros de que no existe coordinación mediante señales de radio entre ACD y BCD en el momento en que los detectores cuentan los fotones y se registran los resultados. En otras palabras, es como si Alice lanzase su moneda en la Tierra y simultáneamente Bob lanzase la suya en Marte.
Después de muchos lanzamientos Alice obtiene una larga secuencia de esta forma:
1,0,0,1,0,1,11,0,0,0,1,0,1,0,1,1,1, …
Analiza la secuencia y observa un 50% de «1», un 50% de «0», sin ninguna particular regularidad. Concluye que su aparato se comporta como un buen generador de números aleatorios: Aleatoriedad en el laboratorio de Alice.
Lo mismo para Bob. Aleatoriedad en el laboratorio de Bob.
Dado que no puede haber comunicación por señales de radio entre los dos laboratorios en el momento en que se producen los resultados, se debería observar que el 50% de las veces Alice y Bob obtienen el mismo resultado y el 50% de las veces resultados diferentes.
Supongamos ahora que Alice y Bob se juntan, comparan sus resultados y, para su gran sorpresa, se dan cuenta de que en cada lanzamiento obtienen el mismo resultado: Si Alice registró «1», Bob registró «1»; si Alice registró «0», Bob registró «0».
¿Es esto posible?
SÍ. Esto es el entrelazamiento cuántico, y se ha demostrado en cientos de experimentos.
Einstein llamó al «entrelazamiento cuántico» una «acción fantasma a distancia » que «no puede reconciliarse con la idea de que la física debe representar una realidad en el tiempo y el espacio», la idea de que las señales causantes de los sucesos correlacionados no pueden propagarse en el espacio más rápido que la luz. Junto con Boris Podolski y Nathan Rosen, Einstein escribió en 1935 el famoso artículo EPR, en el que argumentaba que la mecánica cuántica es incompleta, y que las partículas entrelazadas se comportan de la misma manera porque son emitidas desde la fuente como gemelos genéticos que llevan «programas genéticos» (“variables ocultas”) que, en entornos similares, les hacen reaccionar de la misma manera.
El artículo de EPR provocó una gran controversia que quedó sin resolver hasta la llegada de John Stewart Bell. John descubrió una propiedad matemática, las llamadas «desigualdades de Bell» mencionadas en el anuncio del Premio Nobel, que permite decidir mediante un experimento entre la explicación de Einstein y la Mecánica Cuántica. El descubrimiento se publicó en 1964.
Desde entonces se han realizado muchos experimentos que descartan la explicación de Einstein de las variables o programas ocultos, y confirman que el entrelazamiento cuántico es algo real. Esto significa: existen sucesos correlacionados en condiciones tales, que queda excluida cualquier coordinación mediante señales de radio. Entre estos experimentos se encuentran los galardonados con el Premio Nobel en 2022.
Sin embargo, estos experimentos no descartan la explicación de que uno de los resultados, digamos el de Alice, pueda considerarse la causa (antes en el tiempo) y el otro el efecto (después en el tiempo). Para descartar esta posibilidad, es necesario poner en movimiento los dispositivos ACD y BCD para crear la configuración relativista en la que la elección del resultado en el laboratorio de Alice, ocurre antes que la elección del resultado en el laboratorio de Bob, y la elección en el laboratorio de Bob ocurre antes que la elección en el laboratorio de Alice. Con tal orden temporal relativista, el resultado de Alice no puede tener en cuenta el resultado de Bob, y el resultado de Bob no puede tener en cuenta el resultado de Bob: en consecuencia, la correlación entre los resultados de Alice y Bob debería desaparecer. Este es el llamado experimento “before-before” («antes-antes») con aparatos de medida en movimiento, que completa los convencionales con aparatos en reposo.
La inspiración para este experimento me vino durante un Coloquio que organicé con John Bell el 22 de enero de 1990, en el CERN de Ginebra, para discutir las implicaciones filosóficas de su descubrimiento (la charla de Bell y la discusión posterior están grabadas en este vídeo). Unos meses más tarde se pudo repetir un Coloquio similar en Colonia (Alemania), y esta vez entre los ponentes no sólo estaba John Bell, sino también Anton Zeilinger, uno de los tres ganadores del Premio Nobel 2022 (las actas están publicadas en este libro). Las discusiones con John y Anton reforzaron mi interés por el experimento.
En los años siguientes, me hice amigo de Marcel Odier, un banquero privado de Ginebra, que se entusiasmó por el experimento y quiso patrocinarlo. Lamentablemente, John Bell murió el 1 de octubre de 1990. Así que Marcel y yo viajamos varias veces a Innsbruck para visitar a Anton Zeilinger, y mantuvimos provechosas conversaciones con él. En 1997 pude publicar el experimento junto con Valerio Scarani (cfr. artículo en PLA), y finalmente pude realizarlo en 2001 junto con Nicolas Gisin, André Stefanov y Hugo Zbinden en el Laboratorio de Óptica Cuántica de la Universidad de Ginebra (cfr. artículos en PRL y PRA).
El experimento demostró que las correlaciones cuánticas no desaparecen y, por tanto, descarta la explicación por «causalidad en el tiempo», es decir: la hipótesis de que existe una relación causa-efecto entre los sucesos correlacionados. Esto tiene importantes implicaciones para nuestra comprensión del espacio y el tiempo:
Los sucesos distantes correlacionados no son dos sucesos distintos, sino que constituyen de hecho un único efecto nolocal: este aparece (se materializa) en el espacio-tiempo, pero la causa está más allá del espacio y el tiempo. Con otraspalabras, no todo lo que importa para los fenómenos físicos está contenido en el espacio-tiempo. «Las correlaciones cuánticas parecen venir de fuera del espacio-tiempo» (Nicolas Gisin); «el espacio y el tiempo son construcciones secundarias» (Anton Zeilinger).
El mundo visible en el que vivimos y nos movemos no puede explicarse únicamente mediante cadenas causales visibles, materiales, en el espacio-tiempo. No podemos dejar de reconocer causas invisibles que actúan desde fuera del espacio-tiempo. «¡Las correlaciones piden a gritos una explicación!», afirmaba John Bell. Los experimentos de entrelazamiento estimulan sin duda nuestra imaginación y creatividad a la hora de buscar explicaciones sobre qué clase de seres son estas causas invisibles:
Nicolas Gisin se pregunta si hay que invocar ángeles cuánticos que lleven la cuenta del registro cuántico, anotando «quién está entrelazado con quién, de modo similar a como se registra quien está casado con quien”. Anton Zeilinger afirma que «la mística es un enfoque importante sobre el que podemos construir». John Conway y Simon Kochen proponen aceptar que el comportamiento de las partículas entrelazadas revela la misma libertad de elección que tienen los experimentadores.
A veces, las interpretaciones que nos ofrecen los físicos cuánticos, suenan como extrañas y contradictorias. Sin embargo, si escuchamos atentamente y juntamos lo que dicen, obtenemos una magnífica polifonía contrapuntística: el reino cuántico no está formado por partículas u ondas «materiales», sino que es una descripción matemática, una vasta nube de algoritmos. El mundo visible (material) en el que vivimos y nos movemos es un gran cálculo, procesado en realidad por potentísimos intelectos invisibles (los “supercomputaional intellects” de Fred Hoyle) que proyectan incesantemente los fenómenos que percibimos en la pantalla que llamamos espacio-tiempo. La conciencia es la interfaz donde se desarrolla el diálogo entre estos intelectos invisibles (espirituales) y nosotros (intelectos neuronales).
Con ocasión del Nobel la revista alemana «Technology Review» publicó un artículo ilustrando la complementariedad del experimento de Alain Aspect y el “before-before”, y el periodista se pregunta si Religión y Ciencia están entrelazadas. Mi respuesta: yo no pretendo que la Física Cuántica demuestra la existencia de Dios. Sin embargo, como creyente y físico cuántico puedo testimoniar que ¡la física cuántica me ayuda muchísimo a disfrutar de Dios, y Dios me ayuda a disfrutar de la física cuántica!
