El 30 de noviembre de 2016, más de 100.000 personas de todo el mundo contribuyeron a un conjunto de experimentos de física cuántica conocidos por primera vez como 'The BIG Bell Test'.

Mediante el uso de teléfonos inteligentes y otros dispositivos conectados a Internet, los participantes aportaron bits impredecibles, que determinaron cómo se medían átomos, fotones y dispositivos superconductores en doce laboratorios de todo el mundo. Los científicos utilizaron el aporte humano para cerrar una laguna obstinada en las pruebas del principio de realismo local de Einstein. Ahora, se han analizado los resultados y se informa sobre ellos en la revista 'Nature'.

En una prueba de Bell (llamada así por el físico John Stewart Bell), se generan pares de partículas entrelazadas como fotones y se envían a diferentes lugares, donde se miden las propiedades de las partículas, como los colores de los fotones o el tiempo de llegada. Si los resultados de la medición tienden a coincidir, independientemente de las propiedades que elijamos medir, implica algo muy sorprendente.

O bien la medición de una partícula afecta instantáneamente a la otra (a pesar de estar muy lejos), o incluso algo más extraño, las propiedades nunca existieron realmente, sino que fueron creadas por la medida misma. Cualquiera de las dos posibilidades contradice el realismo local, la cosmovisión de Einstein de un universo independiente de nuestras observaciones, en el que ninguna influencia puede viajar más rápido que la luz.

La prueba 'BIG Bell' pidió a voluntarios humanos, conocidos como 'Bellsters', que eligieran las medidas, con el fin de cerrar la llamada "laguna de libertad de elección": la posibilidad de que las partículas influyan en la elección de la medición.

Tal influencia, si existiera, invalidaría la prueba; sería como permitir que los estudiantes escriban sus propias preguntas de examen. Esta laguna no se puede cerrar eligiendo con dados o generadores de números aleatorios, porque siempre existe la posibilidad de que estos sistemas físicos estén coordinados con las partículas enredadas. Las elecciones humanas introducen el elemento del libre albedrío, mediante el cual las personas pueden elegir independientemente de lo que las partículas puedan estar haciendo.

Dirigido por el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona, el 'BIG Bell Test' reclutó a participantes de todo el mundo para contribuir con secuencias impredecibles de ceros y unos (bits) a través de un videojuego 'online'. Se enviaron los bits a experimentos de vanguardia en Brisbane (Australia), Shanghai (China), Viena (Austria), Roma (Italia), Munich (Alemania), Zurich (Suiza), Niza (Francia), Barcelona, Buenos Aires (Argentina), Concepción (Chile) y Boulder Colorado (Estados Undios), donde se usaron para establecer los ángulos de los polarizadores y otros elementos de laboratorio para determinar cómo se midieron las partículas entrelazadas.

Los participantes contribuyeron con más de 90 millones de bits, haciendo posible una fuerte prueba de realismo local, así como otros experimentos sobre el realismo en la mecánica cuántica. Los resultados obtenidos están en total desacuerdo con la cosmovisión de Einstein, cierran por primera vez la laguna de la libertad de elección y demuestran varios métodos nuevos en el estudio del enredo y el realismo local.

El experimento del ICFO

Cada uno de los 12 laboratorios de todo el mundo llevó a cabo un experimento diferente, para probar el realismo local en diferentes sistemas físicos y probar otros conceptos relacionados con el realismo. ICFO contribuyó con dos experimentos. El equipo del ICFO 1, compuesto por Pau Farrera y el doctor Georg Heinze, dirigido por el profesor de ICREA (Instituto Catalán de Investigación y Estudios Avanzados) en ICFO Hugues de Riedmatten, que realizó una prueba de Bell utilizando enredos entre dos objetos muy diferentes: un solo fotón y una nube atrapada con millones de átomos.

Esta nube actuó como una "memoria cuántica" que almacena durante algún tiempo la materia del estado enmarañado, y luego la transfiere a otro fotón individual. El enredo fue analizado usando interferómetros ópticos y detectores de fotones individuales. La configuración de medición de estos interferómetros fue elegida por los números aleatorios provistos por los 'Bellsters'. Específicamente, los números aleatorios decidían los voltajes que se aplicaron a un dispositivo piezoeléctrico conectado a los interferómetros. Los resultados obtenidos contradicen claramente el concepto de realismo local de Einstien, que plantea que el universo obedece a leyes, no al azar.

El equipo de ICFO 2 realizó una prueba de Bell usando el enredo entre dos fotones individuales de diferentes colores generados con una fuente de par de fotones de estado sólido. Los investigadores, el doctor Andreas Lenhard, Alessandro Seri, el doctor Daniel Rieländer y la doctora Margherita Mazzera, dirigidos por Hugues de Riedmatten, pudieron generar pares de fotones de banda estrecha en varios modos de frecuencia discretos.

Después de separar los fotones del par, su enmarañamiento se analizó utilizando, en cada uno de los dos brazos, un modulador electroóptico para superponer los diferentes modos de frecuencia y una cavidad óptica como filtro espectral. Los números aleatorios proporcionados por los 'Bellsters' fueron explotados para elegir los voltajes que conducen tanto la amplificación de la modulación como la fase de los moduladores electro-ópticos.

El experimento se realizó en colaboración con los investigadores del ICFO, Osvaldo Jiménez, Alejandro Mattár y Daniel Cavalcanti, dirigidos por el profesor de ICREA en el ICFO Antonio Acín. Desarrollaron un modelo para describir el estado enmarañado generado y encontraron las medidas óptimas para contradecir el realismo local.

Del experimento realizado el 30 de noviembre de 2016, las teorías de realismo local pueden descartarse con un nivel de significancia de tres desviaciones estándar, mientras que se logró un quebrantamiento más fuerte, de más de ocho desviaciones estándar, en las semanas siguientes al día de 'Big Bell Test' realizando mediciones más largas con números aleatorios humanos almacenados.

"La BBT fue una gran experiencia. Fue increíble ver números aleatorios creados por 'Bellsters' en todo el mundo tomar el control de nuestros experimentos en tiempo real, y ver a tantas personas participando en un experimento de física cuántica", explica el profesor Hugues de Riedmatten.

A ello, Carlos Abellán, investigador del ICFO e instigador del proyecto, añade: "El 'BIG Bell Test' fue un proyecto increíblemente desafiante y ambicioso. Parecía imposible el día cero, pero se convirtió en realidad a través de los esfuerzos de docenas de científicos apasionados, comunicadores científicos, periodistas y medios de comunicación, y especialmente las decenas de miles de personas que contribuyeron al experimento durante el 30 de noviembre de 2016".

Por su parte, Morgan Mitchell, líder del proyecto BBT y profesor de ICREA en ICFO, subraya que "lo más sorprendente para mí es que la discusión entre Einstein y Niels Bohr, después de más de 90 años de esfuerzo para hacerla más rigurosa y experimentalmente comprobable, aún conserva un elemento humano y filosófico".

"Sabemos que el bosón de Higgs y las ondas gravitacionales existen gracias a máquinas asombrosas, sistemas físicos construidos para probar las leyes de la física. Pero el realismo local es una pregunta que no podemos responder completamente con una máquina. Parece que nosotros mismos debemos ser parte del experimento, para mantener el universo honesto", apunta.

El equipo de BIG Bell Test una vez más desea agradecer a los miles de participantes que tan generosamente y con entusiasmo contribuyeron a esta iniciativa. Según los investigadores, sin esta contribución esencial, el experimento nunca hubiera sido posible.