Entrevista a Alain Aspect
«Una persona teletransportada, seria la mateixa?»
Alain Aspect és director d’investigació en el CNRS, de l’Institut d’Optique (Orsay)
El 6 de gener de 1983, la revista londinenca New Scientist va informar de dos experiments duts a terme pel doctor Alain Aspect, de l’Institut d’Òptica Teòrica d’Orsay, que violaven les desigualtats de John Bell (una sèrie de càlculs que pretenien demostrar que les anomenades teories locals de variables ocultes eren incompatibles amb la mecànica quàntica i proposava que el que ocorre aquí i ara només hauria de dependre de coses pròximes en l’espai i en el temps). Alain Aspect, contra tot pronòstic, va decantar la balança a favor de la mecànica quàntica; va confirmar la no localitat de l’univers, és a dir, que a nivell quàntic (de partícules subatòmiques), la realitat és no local i les partícules intercanvien informació a velocitats superiors a la de la llum a través de connexions misterioses. L’experiment d’Aspect consistia a mesurar la polarització, una propietat que posseeixen els fotons (dels quals es compon la llum), la imatge mental més clara de la qual és la de la fletxa que ix del fotó i apunta a una direcció determinada, tal com es mostra en la següent figura.
Alain Aspect va demostrar que aquesta polarització és paral·lela, és a dir, que quan es mesuren les polaritzacions d’un dels dos fotons emesos al mateix temps, s’obtenen les de l’altre, i aquestes resulten de signe contrari, independentment de la distància que hi haja entre elles. Aspect compara la misteriosa solidaritat o simpatia dels fotons amb la replicació de les cadenes de DNA, i això és important, no sols per les aplicacions que tenen avui en la tecnologia de la computació i de l’encriptació, sinó també perquè tanca la vella paradoxa d’Einstein, Podolsky i Rosen (EPR). Per a Aspect, dos fotons emesos al mateix temps han de considerar-se dos moments de la mateixa ona, o el que és el mateix, un únic estat quàntic.
Alain Aspect és director d’investigació en el CNRS , de l’Institut d’Optique (Orsay) i professor en l’École Polytechnique (Palaiseau). Nascut el 1947, Aspect va estudiar en l’École Normale Supérieure i en la Université d’Orsay, a París, i va realitzar el seu servei militar en coopération com a mestre durant tres anys a Camerun (Àfrica). El 1974 va començar els seus “Experimental Tests of Bell’s Inequalities with Correlated Photons” a l’Institut d’Optique d’Orsay, que va ser la matèria que va desenvolupar en la seua tesi doctoral, un text considerat clàssic en la mecànica quàntica. Entre les seues investigacions més recents destaquen les dirigides a les condensacions de Bose-Einstein. Com a professor, ha creat escola; com a científic, ha rebut nombrosos guardons per les seues diferents investigacions, entre altres, el premi Max Born de l’Optical Society of América, l’Holweck, premi conjunt de l’Institute of Physics i de la Société Française de Physique, i el premi Von Humboldt a la investigació. Més enllà d’aquests guardons, Aspect ha estat considerat pels seus col·legues, juntament amb John Bell, com un possible candidat a premi Nobel. Alguns científics encara confien que puga rebre aquest reconeixement algun dia.
La següent entrevista és fruit de diverses fonts. La primera és la conferència que Alain Aspect, sota el títol “De les intuïcions d’Einstein als bits quàntics: una nova revolució quàntica?”, va pronunciar el 14 d’abril davant alumnes i professors del campus de Ciències, organitzada per la Facultat de Física. La segona, una conversa de sobretaula sobre conviccions científiques, en la qual van participar dos físics teòrics, Carlos Ferreira (degà i catedràtic d’Òptica de la Facultat de Física de València), i Vicente Vento (catedràtic de Física Teòrica a la Universitat de València) i un físic experimental, Jorge Velasco, (professor d’Investigació del CSIC); el seu invitat d’honor (i personalitat híbrida, en ambdós camps de la física) va ser el mateix Aspect. Assistir d’oient a una conferència excepcional i al que podríem considerar una taula redona entre col·legues és una experiència si més no gratificant i instructiva per a una periodista inexperta. Si el lector pretén reconstruir mentalment els esforços d’interpretació, intel·ligents i genials, duts a terme per aquests físics, tal vegada, la seua força d’imaginació es veja recompensada amb les següents paraules d’Einstein: “L’estudi i, en general, la recerca de la veritat i la bellesa és un camp en què se’ns permet ser xiquets tota la vida.” Finalment, només va fer falta una breu entrevista amb el professor de l’Institut d’Optique Théorique et Appliquée, l’objectiu últim de la qual –més que incorporar nous continguts– va ser aclarir els ja introduïts. Com a resultat final, al lector se li presenta una entrevista ordenada per temes i amb comentaris intercalats, a fi de “traduir” una xarrada entre físics al llenguatge assequible de la divulgació científica.
Joventut i carrera
Explique’ns com va començar el seu interès per la ciència.
Vaig començar a entusiasmar-me per la ciència llegint novel·les de Jules Verne. Recorde amb especial plaer L’illa misteriosa, una novel·la que podríem considerar química. Després, amb els anys, per voluntat pròpia, vaig decidir decantar-me per la ciència; sentia una atracció especial per la física.
«Vaig començar a entusiasmar-me per la ciència llegint novel·les de Jules Verne. Recorde amb especial plaer L’illa misteriosa, una novel·la que podríem considerar química»
Quins professors van marcar la seua vida professional a la Universitat?
En realitat, els professors que van deixar una empremta profunda en la meua educació científica els vaig trobar a l’institut. Allí vaig tenir excel·lents mestres de física. Gaudia aprenent i llegint els llibres que em recomanaven. També vaig tenir bons professors a la Universitat. No obstant això, allí vaig aprendre pel meu propi interès, perquè m’agradava ser autodidacta. Era una espècie d’aventura intel·lectual. Llavors treballava molt, però per a mi treballar no era treballar; era més aviat un divertimento.
Per què va migrar de l’òptica a la mecànica quàntica?
En els meus estudis inicials no existia la possibilitat d’estudiar mecànica quàntica, però oferien una bona preparació en física clàssica. En la física clàssica vaig trobar fascinant l’estudi de la llum i per això vaig triar l’especialitat d’òptica, però era conscient que si volia investigar la interacció entre la matèria i la llum –l’aspecte que més m’atreia–, hauria de dedicar-me a la mecànica quàntica. Quan vaig estar a Àfrica vaig tenir l’oportunitat de treballar per mi mateix en mecànica quàntica.
Ha esmentat Àfrica. Què va trobar a Camerun?
Camerun va ser molt important en la meua vida, perquè vaig percebre que el món real no és tal com el mostren els mitjans de comunicació. Allí em vaig adonar de la importància del bagatge cultural de la població, el seu rerefons de creences, així com del paper que exerceixen els orígens ètnics en l’orientació científica dels estudiants.
L’experiment de 1982
En la seua introducció al llibre Quantum Unspeakables: From Bell to Quantum Information (editat per Bertlmann i Zeilinger, Springer, 2002) narra que va conèixer per primera vegada John Bell el 1975, uns mesos després de la lectura del seu famós article, i com va ser aquesta trobada. Quin motiu li va portar a presentar-se davant John Bell i quina impressió li va causar la reunió que va mantenir amb ell?
L’article de John Bell, que parlava de les seues conegudes desigualtats, va deixar una empremta profunda en mi. Vaig decidir canalitzar les meues impressions en la meua tesi i la vaig dedicar a aquest problema, que em semblava –i encara em sembla– fascinant. Vaig convèncer Christian Imbert, un professor jove de l’Institut d’Optique, perquè avalara el meu projecte i dirigira la meua tesi. Volia fer un nou experiment. Imbert em va aconsellar que abans anara a Ginebra i parlara de la meua proposta amb John Bell. Vaig aconseguir una cita i vaig acudir, enormement emocionat, a l’oficina de Bell al CERN. Ell es va quedar en silenci, escoltant, mentre jo explicava la meua planificació de l’experiment. El detall més curiós va ser que quan vaig deixar de parlar em va fer una pregunta que mai oblidaré i que sempre porte a col·lació quan em pregunten per aquesta anècdota: “La seua és una decisió irrevocable?” (“Have you a permanent position?”), em va interpel·lar. És clar que la seva pregunta feia referència a si jo tenia les espatles cobertes perquè l’experiment que jo propossava no estava de moda i podia no ser beneficiós per a la meua carrera científica. Li vaig contestar que sí, i quan es va assegurar que la cosa anava seriosament, em va animar i va canviar de tema. Tots dos vam començar a parlar de física.
El silenci de Bell és molt significatiu. Potser va intuir que l’experiment que vostè es proposava fer podia violar les seves conegudes desigualtats. Com va ser la següent trobada amb John Bell, esdevinguda anys després, quan vosté li comunicà personalment que aquestes sospites s’havien comprovat? Va guardar silenci de nou?
Realment va ser molt incòmode; l’ambient era tens, però no va tenir més remei que acceptar els resultats i felicitar-me. En tot cas, m’incline a pensar que, com a físic, els apreciava, independentment que violaren les seves desigualtats.
Un científic hauria d’estar sempre preparat per a un moment com aquest, no troba? El mateix Einstein pensava que les teories, en la ciència, existeixen només per a ser superades per altres teories. Recordem les seues pròpies paraules: “L’investigador teòric té poc d’envejable. Perquè la naturalesa, o millor dit l’experimentació, és jutgessa inexorable i poc amigable de la seua obra. No diu mai que ‘sí’ a una teoria. En el millor dels casos diu ‘potser’, i l’enorme majoria de les vegades diu simplement ‘no’. Si un experiment s’adiu amb una teoria, significa un ‘potser’, i si no s’hi adiu, és ‘no’. És probable que a tota teoria li arribe un dia el seu ‘no’, i per a la major part, molt prompte una vegada han estat concebudes”.
«Els meus experiments, al demostrar que no complien les desigualtats de Bell, refutaren les teories de variables ocultes»
Sí, així és, encara que els meus experiments, al demostrar que no complien les desigualtats de Bell, refutaren les teories de variables ocultes, que es presentaven com alternativa a la mecànica quàntica. Hi ha que tenir en compte que les desigualtats de Bell són la conseqüència d’una sèrie de postulats molt generals; parlar de “Teories de Bell” és totalment incorrecte. Dit açò, durant molt de temps les desigualtats de John Bell van absorbir el meu pensament. Vaig dedicar vuit anys de la meua vida a l’estudi del seu treball i al meu propi projecte. Sent admiració per la seua teoria. Crec que no és una exageració dir que l’aclariment de la descripció quàntica d’objectes senzills ha estat l’arrel de la segona revolució quàntica, i que John Bell, tal com he assenyalat en diversos articles, va ser-ne el profeta. Encara que el meu experiment inclinava definitivament la balança cap a la mecànica quàntica, les desigualtats de John Bell són un capítol de la història d’aquesta disciplina que no podem ignorar. En el fons, devem a John Bell el rescat de l’antic debat Bohr-Einstein.
El debat Bohr-Einstein i el corol·lari de l’experiment d’Aspect
La mecànica quàntica ha revisat alguns dels conceptes clàssics de la física. Un dels més importants és el de la dualitat ona-partícula, és a dir, respondre a la pregunta de si la llum és formada per ones o per fotons. La mecànica quàntica va haver de renunciar a la noció clàssica de trajectòria d’una partícula amb una posició i una velocitat bé definides a cada instant. Werner Heisenberg va demostrar l’any 1927 amb la seua famosa llei física, coneguda amb el nom de principi d’incertesa, que és impossible determinar simultàniament la velocitat i la posició d’un electró, o el que és el mateix, asseverar que l’electró “està en aquest precís lloc” i es mou amb “tal i tal velocitat”, perquè el mer fet d’observar la seua posició ja fa que canvie de velocitat; i al revés, quan se’n sap la velocitat, tant més indefinida és la posició. Einstein no acceptava aquesta situació. Per a ell, la interpretació correcta d’aquest principi era que ni els experiments ni la teoria eren capaços de dir-nos per ara res més precís sobre el tema. Potser la física no fóra exacta, però la naturalesa sí que ho era. La polèmica va començar a l’octubre de 1927, arran del Cinquè Congrés Solvay a Brussel·les, al qual van assistir tots els fundadors de la teoria quàntica: Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Born, De Broglie, Schrödinger, Dirac, Pauli, així com moltes de les grans figures de la física de l’època, com Madame Curie, Lorentz, Ehrenfest, W. L. Bragg, Debye, Compton, etc. Aquí Einstein assenyala públicament alguna objecció a la teoria acabada de proposar i fora de les ponències manté contínues discussions –particularment amb Bohr– que mostren la seua insatisfacció amb la teoria. Heisenberg ho recorda de la manera següent: “Einstein va intentar incansablement refutar durant el congrés les relacions d’incertesa basant-se en contraexemples, formulats en forma d’experiments mentals. Tots residíem en el mateix hotel, i no era rar que ja en el desdejuni Einstein ens portara una d’aquestes propostes, que calia passar a analitzar […]. Al llarg del dia discutíem Bohr, Pauli i jo l’exemple d’Einstein, amb la qual cosa a l’hora del sopar ja estàvem en condicions de demostrar que l’experiment teòric d’Einstein concordava amb les relacions d’incertesa i no podia ser utilitzat per a refutar-les.”
Einstein acceptava expressament la consistència lògica de la mecànica quàntica, però no la seua necessitat lògica. La polèmica va continuar amb la publicació de la paradoxa EPR, un treball publicat en col·laboració amb Boris Podolsky i el seu jove assistent Nathan Rosen que demostrava que si s’adopta un punt de vista objectiu clarament definit sobre la realitat física, llavors la mecànica quàntica és una teoria física incompleta, perquè no pot contenir tots els elements de la realitat d’interès per a la descripció del sistema. Bohr va respondre a aquest embat. La disputa es va prolongar de forma epistolar entre ambdós científics fins a la mort d’Einstein en 1955. Per altra banda, en una de les cartes que, al setembre de 1944, Einstein va escriure a Max Born (íntim amic d’Einstein i autor de la interpretació de la funció d’ona com una probabilitat de presència de la partícula), diu: “Ens hem convertit en antípodes pel que fa a les nostres expectatives científiques. Tu creus en el Déu que juga als daus, jo en un ordre i una legalitat completes en un món que existeix objectivament, i que jo he tractat de capturar mitjançant recursos molt especulatius. Jo crec fermament, però espere que algú descobresca un camí més realista, o tal vegada una base més tangible que la que la sort m’ha permès trobar. Fins i tot el gran èxit inicial de la teoria quàntica no em fa creure en aquest joc de daus fonamental, encara que sóc perfectament conscient que els nostres joves col·legues ho interpreten com una conseqüència de la senilitat. Sens dubte, arribarà el dia en què sabrem quina d’aquestes actituds instintives va ser la correcta.”
Einstein i els seus col·legues Podolsky i Rosen es negaven a acceptar la correlació misteriosa entre partícules. Pensaven que havien d’existir variables ocultes (encara no observades) que distingiren aquests sistemes aparentment idèntics. Els físics havien d’intentar trobar una resposta a aquest misteri per a completar-la. Açò és el que venia a dir el conegut article que van publicar el 1935, titulat “Can quantum mechanical description of physical reality be considered complete?”. Per la seua banda, Schrödinger es va alinear amb la posició adoptada per EPR i va encunyar el terme “emparellament” (entanglement) per a caracteritzar la falta de factorabilitat d’un estat EPR. Anys més tard, el 1964, John Bell demostraria científicament la paradoxa EPR. Sols faltava saber si les desigualtats de Bell es satisfeien. Si era així, guanyava el debat Einstein, sinò, ho guanyava Bohr, però en ambdós casos Bell tenia raó, perquè va mostrar el camí per a entendre si la descripció no determinista de la mecànica quàntica era, o no, correcta, és a dir, que les prediccions eren distintes. Va ser Alain Aspect qui en la dècada dels vuitanta tranformà les idees de Bell en un experiment realitzable, què mostrà que les prediccions correctes eren les de la mecànica quàntica. Per això, alguns científics encara pensen que si Bell no haguera mort tan jove, pot ser haguera sigut un Premi Nobel, y tal volta Aspect ho podria haber compartit amb ell.
Parle’ns del debat Bohr-Einstein. En quina mesura era conegut dins de la comunitat científica?
Excepte Bohr i Schrödinger, molts físics ignoraven aquest debat, perquè els semblava molt acadèmic. Acceptar una o altra teoria era més aviat una qüestió de gust personal. Einstein mateix aparentment no va contestar a aquesta actitud i vam haver d’esperar trenta anys, fins que John Bell es va interessar novament per aquestes qüestions, perquè s’acceptara la paradoxa d’EPR com una realitat universal.
El 1980 vostè va ser el primer a dur a terme uns experiments que van obtenir resultats categòrics a favor de la teoria quàntica que rebatien les desigualtats de Bell usant dos polaritzadors connectats. Una altra generació d’experiments al començament dels anys noranta va confirmar els seus resultats. Què van demostrar definitivament aquestes seqüeles?
Que ja no hi hauria cap dubte: dos fotons emparellats no són dos sistemes distints que transporten dues còpies idèntiques dels mateixos paràmetres. Un parell de fotons emparellat ha de ser considerat com un únic sistema inseparable, descrit en termes de funció d’ona global que no pot ser descompost en estats de simple fotó. La inseparabilitat de l’estat del fotó emparellat es manté fins i tot quan els fotons es troben distants, inclosa la separació espacial en sentit relativista, és a dir, en una separació tal que cap senyal que viatge a una velocitat inferior o igual a la velocitat de la llum pot connectar les dues mesures. Aquest és el cas dels experiments de 1982, en què hi havia una separació de dotze metres entre els fotons, en el moment del mesurament. A més, era possible canviar la posició dels polaritzadors durant el vol dels fotons entre la font i el detector. En experiments posteriors, on noves fonts han permès la injecció de fotons emparellats en dues fibres òptiques, es va observar una violació de les desigualtats de Bell a centenars de metres, i fins i tot més lluny, i resultava possible canviar a l’atzar la col·locació dels polaritzadors mentre es propagaven els fotons en les fibres. Els experiments assenyalen que tot ocorre com si les partícules emparellades encara estigueren en contacte i com si la mesura d’un fotó afectara immediatament l’altre.
Els resultats dels seus experiments no sols suposen un avanç acadèmic o teòric; al mateix temps ens introdueixen en una nova revolució tecnològica. L’emparellament de les partícules ofereix noves possibilitats en el tractament de la informació i de la transmissió. Un exemple el trobem en la criptografia, és a dir, en la ciència que s’encarrega de “codificar i/o transmetre un missatge secret sense que siga llegit o entès per una tercera persona”. Quines aplicacions poden desenvolupar-se en encriptació gràcies als coneixements quàntics que ha aportat el seu experiment?
Un camp tan recent com el de la informació quàntica promet sorprenents aplicacions, encara que hem de tenir en compte que el cas de la criptografia és un camp naixent. Tant els mètodes de codificació com els de descodificació han progressat gràcies als avanços en les matemàtiques i en la capacitat dels ordinadors. Contemplant aquest progrés continuat, sembla clar que la seguretat de la transmissió es garanteix per la hipòtesi que l’adversari no faça servir unes matemàtiques més avançades o ordinadors més potents que l’emissor i el receptor. En la criptografia clàssica, l’única transmissió completament segura és la que usa un mètode d’un sol ús en què emissor i receptor comparteixen dues claus idèntiques una sola vegada i llavors la distribució de les còpies de la clau és el moment crític, perquè implica canals secrets que podrien ser interceptats per un espia amb tecnologia més avançada. En canvi, en la criptografia quàntica la seguretat de la transmissió depèn de les lleis fonamentals de la física de la mecànica quàntica. En aquest cas, és possible descobrir l’espia seguint la pista que deixa necessàriament en efectuar aquests esforços, ja que en la física quàntica tots els mesuraments pertorben el sistema en certa manera. Si no hi ha una pista com aquesta, es pot estar segur que el missatge ha estat enviat amb plena garantia!
Què pot explicar-nos sobre la computació quàntica? Arribarem algun dia a fabricar ordinadors quàntics?
La computació quàntica no treballa basant-se en el clàssic codi binari que només pot prendre dos valors, 0 o 1. En compte del bit utilitza el seu equivalent quàntic, el qubit, que pot estar en qualsevol superposició dels dos estats. En això consisteix la capacitat potencial d’un ordinador quàntic i les poderoses possibilitats que brinda en comparació amb els algorismes clàssics. El futur del càlcul quàntic aplicat a la informàtica alberga molts dubtes, però la idea de la computació quàntica encara és un punt de referència de la investigació científica per a algunes comunitats de físics experts. Per exemple, els protocols d’encriptació usats actualment es basen en la dificultat de factoritzar grans nombres. Amb un ordinador quàntic el temps de factorització es reduiria notablement. Ara la factorització s’aconsegueix en un temps que creix exponencialment segons el nombre de dígits. Un ordinador quàntic ho faria en un temps que augmentaria també segons els dígits, però polinòmicament, és a dir, que podria factoritzar llargs nombres en intervals temporals molt més breus que els mètodes convencionals.
Posats a parlar del futur, fem un poc de ciència-ficció. Vostè és un gran admirador i lector de Jules Verne. L’escriptor francès deia que “Tot allò que una persona puga imaginar, altres podran fer-ho realitat.” Verne ens va ensenyar millor que ningú que el passat en la ciència-ficció és sovint el futur anticipat. En aquest sentit, què pensa de la teletransportació? Sabem que dos fotons emparellats, enviats en direccions oposades, romanen comunicats entre si, que formen subsistemes que no poden representar-se separadament. Si el fenomen de l’emparellament (entanglement) fa que dues partícules subatòmiques romanguen mútuament relacionades –perquè han estat generades en un mateix procés– i quan una de les dues partícules pateix un canvi d’estat, repercuteix en l’altra, sense importar com de separades es troben, llavors, no seria possible la teleportació? Pensa que algun dia podrem viatjar a Mart –teleportar-nos instantàniament– a través d’una espècie de codificador/descodificador quàntic?
«Hauríem de preguntar-nos si el resultat de la teleportació donarà lloc a la mateixa persona»
La matèria i l’energia no poden ser teletransportades, però l’entitat quàntica d’una partícula sí. Per això, en la teletransportació quàntica no es transfereixen les partícules mateixes; allò que es transmet són els seus estats quàntics, és a dir, informació que permet reconstruir-los quasi instantàniament en un altre lloc. En altres paraules, es tracta de prendre un objecte i aconseguir que en una altra part de l’univers aparega un objecte idèntic, en el mateix estat. Ja s’ha aconseguit teletransportar fotons a través d’un tub de fibra òptica de 600 metres de longitud, és a dir, que un raig de llum es produïra idènticament i instantàniament en dos llocs distints, separats per 600 metres. No obstant això, de moment, la teletransportació només és factible per a sistemes de comunicació digitals i de computació avançada. Teletransportar un ésser humà implicaria desarmar-lo àtom a àtom, per a després tornar-lo a muntar en una altra part. Tal vegada algun dia aconseguirem fer-ho, però abans hauríem de preguntar-nos si el resultat de la teleportació donarà lloc a la mateixa persona.
Tornem al present, per a acabar. Vostè ha creat una escola de seguidors. Breument, quines qualitats desitjaria que tingueren?
La qüestió més important, tal vegada l’única cosa important, és que siguen feliços dedicant-se a la investigació. L’entusiasme ha de donar fruit en la investigació. Si ets entusiasta i has fet un treball vàlid, llavors descobriràs, sens dubte, coses interessants.