La mecánica cuántica ha sido una de las áreas de la física más difíciles de entender y de la que los científicos aún desconocen mucho. A lo largo de los años, se han ido descubriendo cada vez más aspectos sobre su funcionamiento y sus principios. Sin embargo, a medida que la teoría se desarrollaba, surgieron debates largos entre científicos debido a su enorme complejidad. Por ejemplo, a muchos les molestaba que se alejara de lo que ya conocíamos, como por ejemplo, que algo fuera más rápido que la velocidad de la luz.
El año 2025, se celebró el Año de la Mecánica Cuántica y a través de este artículo he querido explicar un poco de esta fascinante rama de la física junto con uno de sus fenómenos más increíbles: el entrelazamiento cuántico.
Hace unos meses me enteré que estaba embarazada. El proceso de la fecundación es tan complejo como ciertas problemáticas existentes en la física. Dentro de toda esta complejidad y de muchos pasos que aún no se conocen sobre el proceso de la vida, la tecnología ha ayudado a conocer algunas cosas y a partir de la semana 8 de embarazo, se puede saber si el bebé en formación será de sexo femenino o masculino.
Durante estas semanas de incertidumbre, yo no sabía cómo llamar al embrión que estaba dentro de mi. Le atribuía muchas veces al género masculino y otras al femenino a pesar de que en el momento de la fecundación, su sexo cromosómico ya estaba definido. Eso me recordó mucho a lo que sucede con el principio de superposición en la mecánica cuántica, ya que una partícula no es sólo un estado cuántico, sino que es muchos a la vez. En el momento en que la partícula es observada, colapsa en uno de estos estados y los demás se eliminan. De ese modo, el estado de la partícula deja de ser parte de la incertidumbre y obtenemos información, del mismo que yo al obtuve al llegar el resultado del test que me decía el sexo de mi bebé. El colapso de la partícula a ese estado en cada medición, es completamente probabilístico.
Mi pequeño embrión, aunque a la semana 8 era muy pequeño, no cumplía con las características diminutas necesarias para ser considerado un objeto cuántico, y es por eso que la incertidumbre de su sexo solamente sirve para hacer un ejemplo de algo tan complejo como son los estados cuánticos. El límite entre el mundo macroscópico y el mundo microscópico que es donde rigen las leyes de la mecánica cuántica, esta definido por la constante de Planck. Sin embargo un límite cuántico como tal, no está establecido y se debe evaluar según ciertas propiedades y comportamiento, si algo es cuántico o no. Más que un número fijo, se trata de una transición.
El principio de superposición nos dice que una partícula tiene varios estados a la vez. Entendamos como estado una forma de describir las propiedades de una partícula. A modo de ejemplo, pensaremos en la característica cuántica fundamental conocida cómo espín, que puede tener diferentes valores. En este caso, definiremos que partícula A, tiene espín -1/2 y 1/2, lo que quiere decir que apunta hacia abajo o arriba. Antes de ser observada y con esto me refiero a detectada, la partícula se encuentra en todos sus estados de espín simultáneamente. Es decir, apunta hacia abajo y hacia arriba al mismo tiempo. Esta propiedad ayuda a entender por qué no es posible definir de forma exacta la posición de un electrón orbitando en el átomo. Por ello, se describe mediante nubes que rodean el núcleo, donde cualquier punto dentro de ellas representa una posición posible.
Aunque el principio de superposición ya resulta complejo, existe un fenómeno más controvertido del cual Albert Einstein dudó profundamente: el entrelazamiento cuántico.
A lo largo de mi embarazo, descubrí que la prueba para conocer el sexo del bebé es posible porque el ADN del embrión circula en la sangre materna. Es por eso que una simple analítica me podía dar tanta información sobre un nuevo ser en formación. Es como si mi sangre con la suya se entrelazaran y la medicina actual fuera capaz de distinguir una de la otra para obtener información de esa pequeña persona que crece en mi vientre.
Con el entrelazamiento cuántico sucede algo similar, aunque, como todo en el mundo microscópico, es mucho más complejo. Dos partículas pueden estar entrelazadas, es decir que se intercambian información entre ellas. Dependiendo de su grado de entrelazamiento, se puede o no se pueden separar.
Uno de los aspectos más sorprendentes es que, si dos partículas entrelazadas se separan, es posible obtener información sobre una midiendo la otra, incluso sin observarla directamente. Es más, uno de los experimentos más famosos fue de fotones entrelazados. Ambas partículas, llamémoslas Alice y Bob, viajaron por caminos distintos: Alice pasó a través de diferentes objetos de los que obtuvo información, mientras que Bob siguió directamente su camino hacia un detector. Después de interactuar con los objetos, Alice fue destruída sin ser detectada, mientras que Bob sí llegó al detector. Podríamos pensar que esa información valiosa de Alice se perdió, sin embargo, al medir a Bob, se descubrió que toda la información que Alice observó había sido pasada a Bob de manera instantánea, más rápido que la velocidad de la luz. En realidad no se transmite información útil más rápido que la luz, ya que su interpretación requiere procesos en el mundo macroscópico, es decir, en el mundo clásico. Lo que ocurre es que ambas partículas comparten un estado cuántico y están conectadas por un proceso muy complejo que los hace ser uno pero dos a la vez. Este experimento fue realizado por Anton Zeilinger et al. en el año 2014. Zeilinger, John Clauser y Alain Aspect, recibieron el premio Nobel de la física el año 2022 gracias a sus aportes realizando experimentos de fotones entrelazados, establecer la violación de los estados de Bell y ser pioneros en la ciencia de la información cuántica.
Aún hay muchas cosas que no sabemos del mundo macroscópico y es por eso que no resulta extraño nuestro conocimiento limitado del mundo cuántico que, a pesar de ser una gran incógnita, no deja de ser fascinante para quienes lo estudian y para quienes quieren saber sobre esta rama de la física.
Dado que se trata de un tema tan complejo, muchos investigadores y artistas han intentado acercarlo al público general. Un ejemplo ocurrió en el concurso Dance your PHD, donde la investigadora y bailarina Merritt Moore ganó el concurso a través de un video bailando y explicando el entrelazamiento cuántico. Para más información sobre la mecánica cuántica, los invito a escuchar uno de los episodios de Oscilador Armónico, el podcast del IFIC.
