‘Se cierra el debate abierto por Einstein: la naturaleza no admite un modelo local’
La conclusión de los experimentos que han puesto a prueba las predicciones de la mecánica cuántica “permitirá la implementación de protocolos de criptografía cuántica independientes de dispositivo y la producción de números de aleatoriedad certificada, una suposición clave sobre la que descansan muchos protocolos de comunicaciones seguras”.
17.05.16
Por DAVID ELKOUSS
Hace ya ochenta años, en un artículo fundamental, Einstein, Podolski y Rosen (EPR) entendieron que la mecánica cuántica predice que, si tenemos dos objetos separados y actuamos sobre uno de ellos, podemos ejercer otra acción de manera instantánea sobre el segundo de los objetos. Para Einstein, que había conseguido a través de la teoría de la relatividad eliminar la acción a distancia de la mecánica clásica, esta "acción fantasmal a distancia" era inaceptable y mostraba un problema de raíz en la mecánica cuántica. Según Einstein, la mecánica cuántica no estaba completa y debía ser modificada. El artículo fue leído en clave fundacional e ignorado a efectos de física experimental. Poco se esperaba entonces que temas tan fundamentales pudiesen acabar en aplicaciones prácticas y que en 1992 se desarrollaría un sistema de criptografía inexpugnable basado en esta misma "acción fantasmal".
Entre tanto, la mecánica cuántica cosechó innumerables aciertos y se convirtió en una de las teorías más exitosas nunca imaginadas por la humanidad. No fue hasta 1964, casi treinta años más tarde, cuando John Bell imaginó un experimento que podía poner a prueba estas ideas. El experimento de Bell se puede entender como un juego entre dos jugadores, Alicia y Bob, separados a una distancia tal que no puedan comunicarse durante una ronda del juego. El juego se repite un gran número de veces. La observación de Bell es simple: si la física admite un modelo local, sin acción a distancia, Alicia y Bob pueden ganar como máximo un 75% de las rondas. Entonces, si en un experimento se observa que los jugadores ganan de manera consistente una fracción estrictamente mayor, esto implica que hay que descartar un modelo local de la realidad. El juego concreto es muy sencillo conceptualmente; sin embargo, la realización experimental es tremendamente compleja.
Tras la propuesta de Bell, y hasta mediados del año 2015, se han ido sucediendo experimentos en los que se mostraba de manera cada vez más concluyente que las predicciones de la mecánica cuántica eran correctas y que debíamos descartar los modelos locales. Sin embargo, todos los experimentos hasta la fecha dejaban todavía la posibilidad de dudar, descansando en suposiciones a las que obligaban limitaciones técnicas. La complejidad del experimento radica en la necesidad de asegurar que no hay comunicación posible entre Alicia y Bob durante el tiempo que tardan estos en decidir sus jugadas, de modo que se asegure su independencia, y que las probabilidades del juego no están sesgadas cuando se miden los resultados (hay que garantizar que durante el experimento no se aborta un porcentaje de los juegos tan grande que falsee la probabilidad ganadora observada).Tradicionalmente, el primer problema se ha denominado la laguna de la localidad y el segundo, la de detección. Para resolver el primero se necesitan sistemas extraordinariamente rápidos y para el segundo, detectores extraordinariamente eficientes. Ninguno de los experimentos realizados hasta la fecha cumplía los dos simultáneamente.
Finalmente, el grupo de Ronald Hanson en Delft completó el primer experimento libre de estos problemas. Las dos claves del experimento son que situaron los laboratorios de los dos jugadores a una distancia de 1,3 kilómetros dentro del campus de TU Delft, con unos sistemas suficientemente rápidos -lo que incluía generadores de números aleatorios desarrollados en el ICFO- como para garantizar que a esta distancia no podían intercambiar información durante cada ronda del juego y que implementaron una variante de experimento de Bell, conocida como event-ready, que garantizaba que todas las rondas se tenían en cuenta. Otros dos experimentos con la misma finalidad llegarían a las mismas conclusiones pocos meses después.
Vista aérea del campus de TU Delft, donde aparece resaltada la ubicación de los laboratorios que intervinieron en el experimento (a la izquierda, la posición A y, a la derecha, la posición B). / Slagboom en Peeters Luchtfotografie BV.
El experimento tiene un gran valor para la física fundamental, restringiendo drásticamente las teorías realistas locales. Como experimento, no puede excluir todas las posible teorías de este tipo, pero las pocas alternativas que quedan son extremas, como la de asumir un universo completamente determinado de antemano.
Al igual que otros muchos experimentos clave, este también abre puertas a la tecnología y las aplicaciones prácticas. En concreto, permitirá la implementación de protocolos de criptografía cuántica independientes de dispositivo y la producción de números de aleatoriedad certificada, una suposición clave sobre la que descansan muchos protocolos de comunicaciones seguras.
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David Elkouss forma parte del equipo que ha realizado este primer experimento en la TU de Delft. Es ingeniero por la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación y doctor por la Facultad de Informática de la UPM. Realizó su tesis en el Grupo de Investigación en Información y Computación Cuántica de la UPM, cuyo coordinador es Vicente Martín. Ambos participaron en el consorcio Quitemad (Quantum Information Technologies Madrid).
Para más información y definiciones concretas de qué es un modelo local y qué tipo de teorías quedan descartadas por el experimento: