Celebrando el Primer Siglo de la Física Cuántica y Preparándonos para el Siguiente

Hace un siglo, científicos pioneros como Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger establecieron los principios fundamentales de la mecánica cuántica. Para conmemorar este hito, los editores de las revistas Physical Review han reunido una colección de artículos históricos que dieron forma a este campo. Se puede acceder a toda la colección en este enlace.

La colección comienza con el siguiente editorial de Dagmar Bruß, de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf.

Editorial de Physical Review Letters

En este Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas, celebramos el centenario de la física cuántica. El aniversario marca los avances teóricos -incluidas las formulaciones de Heisenberg y Schrödinger de la mecánica cuántica- que se desarrollaron rápidamente a partir de 1925, basándose en contribuciones seminales anteriores que establecieron conceptos cuánticos esenciales [1-5].

Cien años abarcan unas tres generaciones humanas. Del mismo modo, considero que el último siglo de la física cuántica ha progresado a través de tres generaciones consecutivas pero entrelazadas. La primera generación cuántica fue una era de comprensión y misterios. Los trabajos pioneros de este periodo introdujeron una descripción mecánica cuántica formal de la realidad física. Al mismo tiempo, esta era vio cómo los investigadores intentaban hacer frente a los fenómenos contraintuitivos -incluidos el entrelazamiento y la no localidad relacionada- resultantes del formalismo cuántico.

La segunda generación cuántica fue la de la consolidación y las aplicaciones. Esta era trajo consigo la «primera revolución cuántica», una serie de avances tecnológicos que han hecho que los efectos cuánticos formen parte de nuestra vida cotidiana. Los láseres, las imágenes por resonancia magnética y los circuitos integrados son ejemplos de tecnologías cuánticas. La teoría cuántica también empezó a remodelar campos como la química, la ciencia de los materiales, la astrofísica y la cosmología. Este periodo vino acompañado de una aceptación gradual de los peculiares efectos que surgen en el régimen cuántico.

El rasgo característico de la tercera generación cuántica es el vínculo con la ciencia de la información. Tras aceptar la rareza cuántica, los científicos se dieron cuenta de que el mundo cuántico tiene un gran poder inherente para el procesamiento cuántico de la información. Aprovechando las leyes cuánticas de la naturaleza, idearon formas de realizar la computación, la comunicación, la simulación y la detección con una eficacia y seguridad inigualables. Los esfuerzos por aplicar estas tecnologías disruptivas constituyen el núcleo de la investigación contemporánea.

Esta colección reúne artículos que desempeñan un papel fundamental dentro de cada una de estas tres generaciones cuánticas. En la primera generación, el desarrollo de la teoría [6-17] fue de la mano de la discusión de dudas, paradojas y posibles interpretaciones de la mecánica cuántica [18-22].

Durante la segunda generación cuántica, las contribuciones pioneras incluyeron ideas sobre los efectos topológicos [23,24], así como la concepción de experimentos para probar propiedades mecánico-cuánticas debatidas, como la no localidad [25-27], la contextualidad [28] y la dualidad partícula-onda [29]. Estas ideas se probaron con éxito en experimentos cuando se dispuso de la tecnología adecuada [30-34].

La tercera generación cuántica se abrió con artículos que sentaron las bases de la ciencia de la información cuántica. El «teorema de no clonación» [35] mostró la posibilidad de lograr una seguridad inquebrantable en la comunicación cuántica [36]. Otros artículos emblemáticos señalaron la posibilidad de construir un ordenador cuántico universal [37] y de lograr una ventaja de la informática cuántica en las aplicaciones prácticas [38]. Paralelamente a la ciencia de la información cuántica, la investigación fundacional empezó a seguir direcciones nuevas y alternativas [39].

A medida que nos adentramos en un nuevo siglo de ciencia cuántica, nos preguntamos hasta qué punto serán perturbadoras las tecnologías de la información cuántica y en qué plazos se dejará sentir todo su impacto. Pero la futura investigación cuántica deberá abordar mucho más que el desarrollo tecnológico. Tras 100 años de mecánica cuántica, varias cuestiones fundamentales siguen parcial o totalmente sin resolverse. ¿Podemos comprender la frontera entre el mundo cuántico y el clásico? ¿Cómo pueden surgir de la mecánica cuántica las leyes de la termodinámica clásica? ¿Puede cuantizarse la gravedad y cómo pueden los experimentos buscar firmas de gravedad cuántica? Surgirán muchas más preguntas que hoy ni siquiera podemos imaginar.

Sin duda, la investigación sobre los aspectos fundamentales de la física cuántica será tan necesaria en el futuro como lo fue en su primer siglo. Y como la historia ha demostrado ampliamente, los llamados «saltos cuánticos» en tecnología son, en general, fruto de avances fundamentales.

Referencias (39)

1. Max Planck, Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum, Ann. Phys. (Berlín) 309, 553 (1901) .
2. Albert Einstein, Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Ann. Phys. (Berlín) 322, 132 (1905) .
3. Niels Bohr, Sobre la constitución de los átomos y las moléculas, Philos. Mag. Ser. 5 26, 1 (1913) .
4. Walther Gerlach y Otto Stern, Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld, Z. Phys. 9, 349 (1922).
5. Arthur Compton, Teoría cuántica de la dispersión de los rayos X por los elementos ligeros, Phys. Rev. 21, 483 (1923) .
6. Wolfgang Pauli, Über den Einfluß der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Elektronenmasse auf den Zeemaneffekt, Z. Phys. 31, 373 (1925).
7. Werner Heisenberg, Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen, Zeitschrift für Physik 33, 879 (1925 ); M. Born y P. Jordan, Zur Quantenmechanik, Z. Phys. 34, 858 (1925); M. Born, W. Heisenberg y P. Jordan, Zur Quantenmechanik. II., 35, 557 (1925).
8. Louis de Broglie, Investigaciones sobre la teoría de los cuantos, Ann. Phys. (Berlín) 10, 22 (1925) .
9. George E. Uhlenbeck y Samuel Goudsmit, Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons, Zuschriften Und Vorläufige Mitteilungen 13, 953 (1925).
10. Erwin Schrödinger, Quantisierung als Eigenwertproblem, Ann. Phys. (Berlín) 384, 361 (1926) .
11. Clinton Davisson y Lester H. Germer, Difracción de electrones por un cristal de níquel, Phys. Rev. 30, 705 (1927) .
12. Max Born, Das Adiabatenprinzip in der Quantenmechanik, Z. Phys. 40, 167 (1927).
13. Paul A. M. Dirac, La teoría cuántica del electrón, Proc. R. Soc. A 117, 610 (1928) .
14. Howard P. Robertson, El principio de incertidumbre, Phys. Rev. 34, 163 (1929) .
15. Felix Bloch, Über die Quantenmechanik der Elektronen in Kristallgittern, Z. Phys. 52, 555 (1929).
16. Richard P. Feynman, Aproximación espacio-temporal a la mecánica cuántica no relativista, Rev. Mod. Phys. 20, 367 (1948) .
17. Julian Schwinger, Sobre la invariancia gauge y la polarización del vacío, Phys. Rev. 82, 664 (1951) .
18. Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen, ¿Puede considerarse completa la descripción cuántico-mecánica de la realidad física? Phys. Rev. 47, 777 (1935) .
19. Niels Bohr, ¿Puede considerarse completa la descripción cuántico-mecánica de la realidad física? Phys. Rev. 48, 696 (1935) .
20. Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik, Naturwissenschaften 23, 807 (1935).
21. David Bohm, Una interpretación sugerida de la teoría cuántica en términos de variables «ocultas». I, Phys. Rev. 85, 166 (1952) .
22. Hugh Everett, Formulación del estado relativo de la mecánica cuántica, Rev. Mod. Phys. 29, 454 (1957) .
23. Yakir Aharonov y David Bohm, Significado de los potenciales electromagnéticos en la teoría cuántica, Phys. Rev. 115, 485 (1959) .
24. Michael V. Berry, Factores cuánticos de fase que acompañan a los cambios adiabáticos, Proc. R. Soc. A 392, 45 (1984) .
25. John S. Bell, Sobre la paradoja de Einstein Podolky Rosen, Física Fiz. 1, 195 (1964) .
26. Daniel M. Greenberger, Michael A. Horne, Abner Shimony y Anton Zeilinger, Teorema de Bell sin desigualdades, Am. J. Phys. 58, 1131 (1990) .
27. Lucien Hardy, No localidad para dos partículas sin desigualdades para casi todos los estados enredados, Phys. Rev. Lett. 71, 1665 (1993) .
28. Simon Kochen y Ernst Specker, El problema de las variables ocultas en mecánica cuántica, J. Math. Mech. 17, 59 (1967) .
29. John A. Wheeler, The «past» and the «delayed-choice» double-slit experiment, Mathematical Foundations of Quantum Theory, editado por A. R. Marlow (Academic Press, Nueva York, 1978), pp. 9-48, 10.1016/B978-0-12-473250-6.X5001-8.
30. Stuart J. Freedman y John F. Clauser, Prueba experimental de las teorías locales de variables ocultas, Phys. Rev. Lett. 28, 938 (1972) .
31. Alain Aspect, Jean Dalibard y Gérard Roger, Prueba experimental de las desigualdades de Bell mediante analizadores variables en el tiempo, Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982) .
32. X.Y. Zou, L. J. Wang, y L. Mandel, Coherencia inducida e indistinguibilidad en la interferencia óptica, Phys. Rev. Lett. 67, 318 (1991) .
33. Vincent Jacques, E Wu, Frédéric Grosshans, François Treussart, Philippe Grangier, Alain Aspect y Jean-François Roch, Experimental realization of Wheeler’s delayed-choice gedanken experiment, Science 315, 966 (2007).
34. B. Hensen et al., Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres, Nature (London) 526, 682 (2015); Marissa Giustina et al., Significant-loophole-free test of Bell’s theorem with entangled photons, Phys. Rev. Lett. 115, 250401 (2015) ; Lynden K. Shalm y otros, Prueba fuerte y sin lagunas del realismo local, 115, 250402 (2015).
35. William K. Wootters y Wojciech H. Zurek, No se puede clonar un único cuanto, Nature (Londres) 299, 802 (1982).
36. Charles H. Bennett y Gilles Brassard, Criptografía cuántica: Public key distribution and coin tossing, Actas de la Conferencia Internacional sobre Informática, Sistemas y Tratamiento de Señales (1984), Vol. 1, pp. 175-179.
37. David Deutsch, La teoría cuántica, el principio de Church-Turing y el ordenador cuántico universal, Proc. R. Soc. A 400, 97 (1985) .
38. Peter W. Shor, Algoritmos para la computación cuántica: Discrete logarithms and factoring, Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, Santa Fe, NM (1994), pp. 124-134; L. K. Grover, Quantum mechanics helps in searching for a needle in a haystack, Phys. Rev. Lett. 79, 325 (1997) .
39. Sandru Popescu y Daniel Rohrlich, La no localidad cuántica como axioma, Encontrado. Phys. 24, 379 (1994) .

Imagen destacada: Max Planck y Albert Einstein (Universidad Hebrea de Jerusalén).