ALAIN ASPECT

Alain Aspect nació en 1947 en un pueblecito del suroeste de Francia, no lejos de Burdeos y el Perigord, una región en la que la buena comida y los excelentes caldos forman parte de la cultura. Hasta hoy, Aspect sigue elaborando su propio paté y mantiene el corazón sano bebiendo los famosos tintos de la región. Alain se considera una prueba viviente de lo que se ha dado en llamar «la paradoja francesa»: el que los franceses puedan hacer comidas pesadas y, no obstante, disfruten de buena salud cardiovascular gracias a beber con regularidad vino tinto.

Alain sintió desde niño interés por la ciencia, sobre todo por la física y la astronomía. Le encantaba mirar las estrellas, y leía los libros de Julio Verne, de quien le gustaba especialmente Veinte mil leguas de viaje submarino. Siempre supo que llegaría a ser un científico.

Alain se trasladó a la ciudad más próxima para ir a la escuela y tras finalizar el bachillerato se fue a otra ciudad mayor, Burdeos, a fin de prepararse para los exámenes de ingreso en las mejores escuelas de Francia, las renombradas Grandes Écoles. Tuvo éxito en los exámenes y se marchó a la mayor de todas las ciudades francesas y uno de los mayores centros intelectuales y académicos de Europa: París. A los veinticuatro años, Aspect obtuvo la licenciatura, a la que llama «mi pequeño doctorado», y antes de continuar los estudios para su «gran doctorado» se tomó unos años de «permiso» para hacer el voluntariado social en África. Así que en 1971 se marchó al Camerún.

Durante tres años, bajo el ardiente sol africano, Alain Aspect trabajó duramente ayudando a la gente a vivir mejor en condiciones adversas. Pero pasaba su tiempo libre leyendo y estudiando uno de los libros más completos y profundos sobre teoría cuántica jamás escritos: Mecánica cuántica, de Cohen-Tannoudji, Diu y Laloë. Alain se sumergió en el estudio de la extraña física de lo muy pequeño. Durante su licenciatura había estudiado mecánica cuántica, pero nunca había entendido del todo la física, puesto que en los cursos que siguió se insistía sólo en las ecuaciones diferenciales y demás maquinaria matemática que se utiliza en la física avanzada. Allí, en el corazón de África, los conceptos físicos en sí mismos se hacían realidad para el joven científico. Aspect empezó a comprender algo de la magia cuántica que impregna el mundo de lo muy pequeño. Pero de todos los extraños aspectos de la teoría cuántica, uno cautivó su atención más que el resto. Era la vieja (de varias décadas) propuesta de Einstein, Podolsky y Rosen lo que estaba tomando un significado especial para él.

Aspect leyó el artículo de John Bell, entonces un oscuro físico que trabajaba en el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra. Y el artículo le causó un profundo efecto: decidió dedicar todos sus esfuerzos a estudiar las inesperadas implicaciones del curioso teorema de Bell. Esto le llevaría a explorar los misterios más profundos de la naturaleza. En eso, Alain Aspect se parece a Anner Shimony. Ambos tienen una profunda —aunque natural e intuitiva— comprensión de la mecánica cuántica. Aunque separados entre sí por el Atlántico, ambos poseen de alguna manera una capacidad, compartida con el difunto John Bell, de entender verdades que se le habían escapado a Albert Einstein.

Como Shimony, Aspect siempre se remonta al origen de un concepto o de un tema. Si desea entender el entrelazamiento, lee directamente a Schrödinger y no un análisis propuesto por algún físico posterior. Y si desea entender las objeciones de Einstein a la naciente teoría cuántica, busca y lee los artículos originales de Einstein de los años veinte y treinta. Pero sorprendentemente, excluyendo el hecho de que Shimony tuvo un sueño en el que vio a Aspect pronunciando una conferencia, lo cual le condujo a formular una importante cuestión, las vidas de uno y otro no están entrelazadas. Shimony es un entusiasta, una persona cuyo entusiasmo tiende a desparramarse entre quienes le rodean (Horne, Clauser, Greenberger, Zeilinger), impulsándolos a mayores logros y descubrimientos; en cambio, Aspect trabaja de otra manera.

Tras regresar de África, Aspect se dedicó a un detallado estudio de la teoría cuántica en su país natal. De hecho, Francia era —y sigue siendo— un importante centro de la física a escala mundial. Se encontró entonces en medio de un grupo de importantes físicos consagrados, de quienes podía aprender mucho y con quienes podía discutir sus ideas. Los nombres de los miembros de su tribunal de tesis eran como un Who’s Who de la ciencia francesa: A. Marechal, C. Cohen-Tannoudji (que sería después premio Nobel), B. D’Espagnat, C. Imbert, F. Laloë. Había un único miembro no francés en el tribunal: el propio John Bell.

Como Shimony al otro lado del Atlántico, Aspect entendía el teorema de Bell mejor que la mayoría de los físicos. Enseguida se dio cuenta del desafío que el remarcable teorema de Bell lanzaba a la física y al entendimiento de Einstein de la ciencia. Desde el punto de vista de Aspect, la esencia de la discusión entre Bohr y Einstein residía en la convicción de éste de que: «Debemos abandonar uno de los dos siguientes asertos: 1. La descripción estadística de la función de ondas es completa; 2. Los estados reales de dos objetos separados espacialmente son independientes entre sí».^[15.1]

Aspect entendió rápidamente que era esta afirmación de Einstein, ya formulada así en el artículo de EPR en 1935, lo que abordaba el teorema de Bell de manera tan sucinta y elegante. Usando el dispositivo (ideal) de EPR, Bell ofrecía un marco real para contrastar la hipótesis de que la teoría cuántica era incompleta frente a la de que era ciertamente completa pero que incluía claramente elementos no-locales.

El teorema de Bell atañe a una clase muy general de teorías locales con parámetros ocultos o suplementarios. La hipótesis es la siguiente: supongamos que la teoría cuántica es incompleta pero que se preservan las ideas de Einstein sobre la localidad. Debemos entonces suponer que tiene que haber un modo de completar la descripción cuántica del mundo, manteniendo el requisito de Einstein de que lo que se observa aquí no puede afectar a lo que se observe allí, salvo que pueda enviarse una señal de aquí a allí (y esa señal no podría ir más deprisa que la luz debido a la teoría de la relatividad). En tal situación, hacer completa la teoría significa descubrir las variables ocultas y describir las variables que hacen que los fotones y las partículas se comporten de una manera determinada. Einstein había conjeturado que las correlaciones entre partículas distantes se deben a que su preparación común las dota con variables ocultas que actúan localmente. Dichas variables ocultas son como hojas de preparación, y las partículas al seguir sus instrucciones, sin correlaciones directas entre ellas, manifiestan un comportamiento correlacionado. Si el universo es de naturaleza local (esto es, si no hay posibilidad de comunicación superlumínica o, en otras palabras, el mundo es como Einstein lo veía), la información necesaria para completar la teoría cuántica debe llegar a través de algunas variables ocultas preprogramadas.

Bell había demostrado que una teoría de tales variables ocultas no sería capaz de reproducir todas las predicciones de la mecánica cuántica, en particular las relacionadas con el entrelazamiento en la versión de Bohm del experimento de EPR. El conflicto entre una teoría cuántica completa y un universo de variables locales se convierte en choque a través de la desigualdad de Bell.

Aspect entendía el punto clave. Sabía que la teoría cuántica había tenido ya entonces un tremendo éxito como una herramienta predictiva en ciencia. Él, por consiguiente, tenía la impresión de que el conflicto antes mencionado, inherente al teorema de Bell y sus desigualdades acompañantes, podría usarse, por el contrario, para derrotar a todas las teorías de variables ocultas. Así pues, contrariamente a Clauser, que antes de su experimento apostó que la teoría cuántica sería derrotada y la localidad ganaría la contienda, Aspect se dispuso a diseñar sus propios experimentos creyendo que la teoría cuántica saldría victoriosa y la localidad derrotada. Si su proyectado experimento tuviera éxito, meditaba, la no-localidad se establecería como un fenómeno real en el mundo cuántico, y la teoría cuántica repelería el ataque sobre su completitud. Es importante observar, sin embargo, que, fuesen cuales fuesen las inclinaciones que Clauser y Aspect pudieran tener en lo referente a los resultados esperados de sus respectivos experimentos, los dos diseñaron el suyo de manera que la naturaleza pudiera hablar sin ninguna inclinación preexistente hacia uno u otro lado.

Aspect era plenamente consciente de que el teorema de Bell, prácticamente ignorado cuando apareció hacia mediados de los años sesenta, se había convertido en una herramienta para sondear los fundamentos de la teoría cuántica. En particular, sabía de los experimentos de Clauser en California y de la implicación en ellos de Shimony y Horne en Boston. Conocía asimismo varios experimentos sin resultados concluyentes.

Se dio cuenta, como afirmó después en su tesis y artículos posteriores, de que el montaje experimental empleado por los físicos previamente a su trabajo era difícil de usar. Cualquier imperfección del diseño experimental tendía a destruir la delicada estructura que habría puesto de manifiesto el deseado conflicto entre las desigualdades de Bell y las predicciones cuánticas.

Los experimentadores buscaban resultados muy difíciles de producir. La razón de ello es que el entrelazamiento es una condición difícil de crear, mantener y medir de forma eficaz. Y para probar una violación de la desigualdad de Bell, lo que demostraría las predicciones cuánticas, el diseño experimental debía elaborarse con mucho cuidado. La intención de Aspect era producir un dispositivo experimental superior, que esperaba le permitiera reproducir la versión de Bohm del experimento ideal de EPR lo más fielmente posible y que le permitiera medir las correlaciones en sus datos para las que la mecánica cuántica predice una violación de las desigualdades de Bell.

Aspect se puso manos a la obra. Construyó él mismo todas las piezas del equipo, trabajando en el sótano del Centro de Investigaciones Ópticas de la Universidad de París, donde le habían proporcionado acceso a espacio y aparatos. Construyó su fuente de fotones correlacionados y montó el dispositivo de espejos, analizadores de polarización y detectores. Consideró cuidadosamente el experimento ideal de EPR. En la versión propuesta por David Bohm, el fenómeno en cuestión es más simple y puede aplicarse el teorema de Bell: los espines o polarizaciones de las dos partículas están correlacionados. Por el contrario, el marco de momento y posición de Einstein resulta más complicado, porque estas dos magnitudes físicas tienen un continuo de valores y el teorema de Bell no es directamente aplicable. Después de meditar largo tiempo sobre el problema, Aspect llegó a la conclusión de que la mejor manera de poner a prueba el rompecabezas de EPR sería usando fotones ópticos, como se había hecho en los mejores experimentos anteriores.

La idea, seguida previamente por Clauser y Friedman, así como por sus colegas en Boston Shimony, Horne y Holt, era medir la polarización de los fotones emitidos en pares correlacionados. Aspect sabía que en Estados Unidos se habían efectuado varios experimentos de ese tipo entre 1972 y 1976. El más reciente de ellos con resultados que apoyaban la mecánica cuántica, realizado por Fry y Thompson, se hizo usando un láser para excitar los átomos.

Aspect decidió llevar a cabo una serie de tres experimentos principales. El primero consistía en un diseño de canal simple dirigido a reproducir los resultados de sus predecesores de una manera más precisa y convincente. Usaría la misma cascada radiactiva del calcio, en la que los átomos excitados emiten fotones en pares correlacionados. Después, realizaría un experimento con dos canales, como habían propuesto Clauser y Horne para acercarse a un experimento ideal. Si sólo hay un canal, los fotones que no entran en él pueden hacer esto (no entrar) por dos razones: o bien llegan al analizador de polarización pero no pueden atravesarlo porque tienen la «mala» polarización, o bien no llegan a entrar en el analizador. Con dos canales se puede limitar la atención a las partículas que se detectan; todas ellas deben haber llegado a la apertura de entrada, y salido a través de uno u otro canal. Tal metodología ayuda a cerrar la escapatoria de la detección (detection loophole). Finalmente, Aspect realizaría un experimento sugerido por Bohm y Aharonov en 1957 y descrito claramente por John Bell. En él, la dirección de polarización de los analizadores se establecería después de que los fotones hubieran salido de su fuente y estuvieran en vuelo. Éste es un tipo de diseño en el que los experimentadores actúan como abogados del diablo. De alguna manera, el experimentador se pregunta: «¿qué pasa si un fotón o su analizador envía un mensaje al otro fotón o a su analizador, informando a la otra parte de la orientación del analizador, de tal modo que el segundo fotón pueda ajustarse convenientemente a sí mismo?». Para evitar tal intercambio de información, el experimentador escoge la orientación que va a usar en su diseño aleatoriamente y a la vez con retardo. Así pues, Aspect iba tras un test más definitivo de la desigualdad de Bell, un test cuyos resultados no pudieran ser puestos en duda por alguien que piense que los analizadores de fotones se comunican entre sí para engañar al experimentador. Debe observarse que, en el marco de la física, la comunicación puede que no sea una noción tan extraña, y el intento de engañar al experimentador está ausente de este marco. Lo que preocupa a los físicos es que en un sistema físico que haya alcanzado algún nivel de equilibrio la comunicación mediante luz o calor pueda transferir efectos de una a otra parte del sistema.

En el experimento real, Aspect tuvo que recurrir a una señal que era periódica, y no perfectamente aleatoria; no obstante, la señal fue enviada a los analizadores después de que los fotones se encontraran en vuelo. Éste es, esencialmente, el elemento nuevo e importante de sus experimentos.

El dispositivo de Aspect de dos canales, pero sin conmutación «aleatoria», se muestra en la figura siguiente (reproducida de su tesis con su permiso).

Puesto que Alain sabía que la desigualdad de Bell ya había sido empleada para determinar cuál de las dos ramas de la alternativa —mecánica cuántica o realismo local— era verdadera, fue a Ginebra a visitar a John Bell. Le dijo que estaba planeando un experimento en el cual incorporaría un principio dinámico de polarizadores variables (su dirección de polarización) con el tiempo con el fin de poner a prueba la separabilidad de Einstein, como el propio Bell había sugerido en su artículo. Bell lo miró y le preguntó: «¿Tienes un puesto permanente?», a lo cual él respondió que tan sólo era un estudiante graduado. Bell se quedó entonces pasmado. «Debes de ser un estudiante muy valiente…», masculló.

Aspect comenzó sus experimentos, usando un haz atómico de calcio como fuente de fotones correlacionados. Los átomos se excitaban mediante un láser. Éste hacía que un electrón en cada átomo subiera dos niveles de energía desde su estado fundamental (como se había hecho en experimentos previos). Cuando el electrón descendía dos niveles, emitía a veces un par de fotones correlacionados. Los niveles de energía y los fotones entrelazados producidos por el método de la cascada atómica se muestran en la siguiente figura.

La tasa de coincidencias del experimento (el ritmo al que se detectaban y medían pares correlacionados) era varios órdenes de magnitud mayor que la obtenida por los predecesores de Aspect. Los experimentos con un polarizador de canal simple produjeron excelentes resultados. La desigualdad de Bell se violaba por nueve desviaciones estándar. Esto quiere decir que prevalecía la teoría cuántica, no había ninguna posibilidad de variables ocultas y se infería que existía la no-localidad para esos fotones entrelazados —respondían instantáneamente el uno al otro—, con una probabilidad inmensamente pequeña de que estas conclusiones estuvieran equivocadas. Este resultado era muy potente. Seguidamente, Aspect realizó sus experimentos de dos canales.

Cuando un fotón es bloqueado por el polarizador en un diseño de canal simple, dicho fotón se pierde y no hay manera de determinar si (y cómo) estaba correlacionado con algún otro fotón. Ésa es la razón para usar dos canales. Lo que ocurre entonces es que, si un fotón es bloqueado por el polarizador, éste lo refleja y aún puede medirse. Ello aumenta la tasa de coincidencias del test global y hace que el experimento sea mucho más preciso. Con este esquema de medición tan mejorado, los resultados obtenidos por Aspect fueron más precisos y convincentes todavía. La desigualdad de Bell se violaba por más de cuarenta desviaciones estándar. La evidencia a favor de la mecánica cuántica y la no-localidad era impresionante y superaba todo lo esperado.

Después vino el test definitivo de la no-localidad, un test de si un fotón aún podría enviar una señal al otro, frente a la alternativa mecánico-cuántica de que prevalece la no-localidad y que los fotones —sin ser capaces de enviarse señales entre sí— reaccionan instantáneamente a la situación del «compañero». Aspect diseñó polarizadores cuya dirección en el espacio podía cambiarse a tal velocidad que el cambio se realiza mientras los dos fotones están en vuelo. Esto se logró del modo siguiente: en cada lado del experimento había dos analizadores de polarización con diferentes orientaciones. Ambos estaban conectados a un conmutador que podía determinar rápidamente a cuál de los dos analizadores enviar cada fotón y, por tanto, cuál de las dos posibles orientaciones encontraría dicho fotón. De hecho, debido a esta innovación, este experimento fue el más importante de los de Aspect y el que ha sido ampliamente considerado como el test definitivo de la no-localidad.

En la figura siguiente se muestra el montaje experimental del tercer conjunto de experimentos de Aspect, con la conmutación entre los analizadores mientras los pares de fotones se hallaban todavía en vuelo.

Al explicar el diseño de este tercer conjunto de experimentos, Aspect citó una importante declaración de Bell: «Los montajes de los instrumentos se hacen con suficiente antelación como para permitirles llegar a tener cierta relación mutua mediante el intercambio de señales con velocidad igual o menor que la de la luz. En tal caso, el resultado en el polarizador I podría depender de la orientación, b, del polarizador remoto II, y viceversa; entonces no se cumpliría la condición de localidad y ésta no podría ponerse a prueba». Los científicos son muy cuidadosos en este punto. Actúan como abogados del diablo, contemplando la posibilidad de que polarizadores y fotones interactúen entre sí y proporcionen resultados coherentes con la realidad local. En cualquier caso, cuando en el experimento los polarizadores son fijos, no se impone la condición de localidad y entonces, en el sentido más estricto, no es posible poner a prueba la idea de EPR, que exige realismo local, frente a la teoría cuántica mediante el teorema de Bell.

En el laboratorio de Aspect, cada uno de los polarizadores fue colocado a una distancia de 6,5 metros de la fuente. La distancia entre los polarizadores (véase la figura anterior) era de 13 metros. Así que, a fin de resolver el problema y permitir un test objetivo de la «causalidad einsteniana», es decir, un test en el cual los fotones y los polarizadores no puedan «engañar al experimentador» enviándose señales entre sí, Aspect tuvo que diseñar una manera experimental de conmutar el polarizador I entre sus dos orientaciones a y a’ y el polarizador II entre sus dos orientaciones b y b’ en un intervalo temporal que era menor que 13 metros dividido por la velocidad de la luz (unos 300 millones de metros por segundo), lo que es alrededor de 4,3 × 10⁻⁸ segundos (43 nanosegundos). Aspect logró hacerlo y construyó un dispositivo capaz de responder a velocidades tan increíbles.

En el montaje experimental mostrado en el diagrama del experimento de Aspect, se consigue la conmutación en menos de 43 nanosegundos. Dicha conmutación se hace mediante un dispositivo óptico-acústico en el cual la luz interactúa con una onda de ultrasonido estacionaria en agua. Cuando la onda cambia en el contenedor de agua transparente, el haz luminoso incidente sobre el agua se desvía de una orientación del polarizador a la otra. De hecho, la conmutación se realizaba a intervalos de 6,7 y 13,3 nanosegundos, bastante por debajo del máximo de 43 nanosegundos.

El tercer conjunto de experimentos de Aspect también tuvo éxito, y la localidad y las variables ocultas fueron de nuevo derrotadas a favor de la mecánica cuántica. Aspect señaló que le habría gustado tener un montaje experimental en el que no sólo se cambiasen las orientaciones de los polarizadores mientras los fotones están en vuelo, sino que también la conmutación se realizase aleatoriamente. Su diseño no proporcionaba aleatoriedad, sino más bien un cambio cíclico de las orientaciones. De modo que, como ha señalado Anton Zeilinger, un grupo de fotones y detectores extremadamente «listos» podría, en principio, «aprender» el patrón del dispositivo y tratar así de engañar al experimentador. Por supuesto, eso sería sumamente improbable. En cualquier caso, el tercer conjunto de experimentos de Aspect contenía un componente dinámico inmensamente importante, que se añadió a la potencia de su conjunto completo de resultados positivos para la mecánica cuántica y ayudó a establecer el entrelazamiento no-local como un fenómeno real.

La figura siguiente muestra, en el área sombrada, la región en la cual fracasa la localidad de Einstein en los experimentos.

En los años siguientes, mientras trabajaba en el Centro de Óptica de la Universidad de París en Orsay, Aspect siguió realizando otros importantes experimentos en física cuántica. Recordando sus innovadores experimentos de los años ochenta, decía: «Estoy también orgulloso de que, aparte de realizar mis experimentos, mi trabajo llamara la atención sobre el teorema de Bell. Cuando hice el trabajo, ése no era un campo popular».