Einstein estaba equivocado

La física clásica se basa en teorías locales, donde las partículas sólo interactúan a través de fuerzas con otras partículas en su entorno cercano. Sin embargo, la mecánica cuántica desarrollada en el siglo XX presentó fenómenos como la superposición cuántica y el entrelazamiento, donde partículas permanecen correlacionadas a cualquier distancia.

La superposición cuántica es uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica que contradice nuestra intuición clásica de la realidad.

Se refiere a la capacidad de un sistema cuántico de existir en múltiples estados o configuraciones simultáneamente, antes de que se realice una medida que «obligue» al sistema a adoptar un estado definido. Imaginad que tenéis dos bolas en una bolsa. Una blanca y una negra. Sin mirar, se agarra una de ellas y se mete en una caja. La física clásica dice que esa bola es negra o blanca, con una probabilidad del 50%. La física cuántica dice que la bola es negra y blanca al mismo tiempo, y que solo en el momento de abrir la caja, la bola se verá «obligada» a mostrar su color, con una probabilidad del 50% también.

Un ejemplo real de superposición cuántica es el giro o espín de un electrón sobre sí mismo en un orbital. La teoría cuántica dice que el electrón está girando a derecha e izquierda al mismo tiempo, y que solo en el momento de medir en que dirección gira, el electrón se ve «obligado a decidir» qué valor mostrar. Se dice que la superposición «colapsa» en un valor concreto.

Esto contradice nuestra intuición clásica de que los objetos tienen propiedades definidas en todo momento. La superposición cuántica implica que la realidad cuántica es inherentemente difusa hasta que se mide. Einstein rechazó esta interpretación por considerarla incompleta, pero múltiples experimentos han demostrado que la superposición existe.

El entrelazamiento cuántico es otro de esos principios fundamentales de la mecánica cuántica, que es más anti-intuitivo aun, si cabe, que el de la superposición. Según este principio, dos o más partículas interactúan de tal manera que el estado cuántico de cada partícula no puede describirse independientemente, incluso cuando están separadas por grandes distancias.

Si volvemos al ejemplo de las bolas, en el momento que abrimos la caja y vemos que la bola es negra, sabemos al 100% que la bola que queda en la bolsa es blanca. La bola de la bolsa colapsa y es obligada a tomar el valor «blanco» instantáneamente, incluso aunque hubiese millones de km de distancia entre una y otra bola. El colapso de la bola negra obliga a colapsar a la bola blanca de manera instantánea. En este punto debes de estar pensando que con esto de las bolas me he fumado algo. Pues eso mismo pensaba Einstein de Bohr, que defendía el entrelazamiento.

Un ejemplo real de entrelazamiento son los dos electrones de un orbital S (el más interno en un átomo). En un orbital S caben dos electrones, y siempre tienen que tener espines distintos, aunque en todo momento cada uno de ellos, por la superposición cuántica, esté girando en ambas direcciones a la vez. Si mides el espín de uno de ellos y el resultado es «arriba» inmediatamente el otro colapsa y con espín «abajo».

A Einstein esto le volaba la cabeza, ya que eso supondría que la información producida por el colapso de la bola negra debería de viajar a velocidades mayores que las de la luz, y toda la teoría de la Relatividad General que él había desarrollado se basaba en que la velocidad de la luz no podía ser superada por nada. Eso le llevó a calificar jocosamente el fenómeno del entrelazamiento como «una acción fantasmagórica a distancia».

Son famosas las discusiones entre Bohr y Einstein contraponiendo una física cuántica a una tradicional. Einstein se oponía fieramente a la interpretación probabilística y la acción no-local de la mecánica cuántica, prefiriendo un modelo determinista subyacente. Pero los experimentos confirmaban las predicciones cuánticas.

Para explicar los experimentos que desafiában a la física tradicional y que eran predecibles por la física cuántica, Einstein recurría a unas «variables ocultas», que aun no acabábamos de comprender, y que deberían de ser incorporadas a los modelos clásicos. Estas discusiones se prolongaron durante décadas.

En 1964, el físico John Stewart Bell ingresó al debate al publicar su famoso teorema con la ahora conocida como desigualdad de Bell. Matemáticamente demostró que si las variables ocultas de Einstein existieran, ningún experimento podría violar ciertos límites cuantitativos.

La desigualdad establecía que para cualquier teoría local realista que cumpliera separabilidad, las correlaciones entre resultados de mediciones sobre un sistema compuesto debían estar limitadas. Sin embargo, sorprendentemente, las predicciones de la mecánica cuántica sobre estados entrelazados sí podrían violar esa desigualdad.

Por ejemplo, para un par de partículas entrelazadas con espines opuestos, las predicciones cuánticas sobre las correlaciones en diferentes orientaciones de medición excedían lo permitido por la desigualdad de Bell.

En 1982, Alain Aspect y sus colaboradores lograron realizar el experimento definitivo, encontrando que las predicciones cuánticas se cumplían, violando la desigualdad de Bell. Esto descartaba definitivamente las teorías locales realistas de Einstein, confirmando la mecánica cuántica y su extraña acción fantasmal a distancia.

Numerosos experimentos desde entonces han corroborado repetidamente la violación de las desigualdades de Bell, cerrando las puertas a las alternativas deterministas locales que Einstein buscaba. Las implicaciones filosóficas sobre la naturaleza de la realidad siguen siendo profundas y debatidas.

Los experimentos decisivos que violaron la desigualdad de Bell demostraron que Einstein estaba equivocado en su búsqueda de una teoría local subyacente a la mecánica cuántica. El universo permite un tipo de conexión no-local instantánea entre partículas entrelazadas cuánticamente, tal como predijo Bohr.

Esto no sólo resolvió el debate histórico, sino que revolucionó nuestra comprensión de la realidad. La física cuántica fue confirmada como una teoría completa, probabilística y no-intuitiva. El entrelazamiento cuántico es la manifestación más profunda de la naturaleza extraña de la realidad cuántica.

Aunque el entrelazamiento no puede usarse para comunicación superlumínica, encontrar aplicaciones prácticas sigue siendo un área muy activa. Por ejemplo, es la base de la computación cuántica, con potencial para algoritmos mucho más rápidos. También permite nuevos tipos de criptografía cuántica inquebrantable.

Más de un siglo después del comienzo de la revolución cuántica, sus misterios continúan inspirando nuevos descubrimientos. Las ideas visionarias pero erróneas de Einstein nos impulsaron a comprender más profundamente una realidad mucho más fascinante de lo que ninguno podría imaginar.