Bell's Inequality: The weirdest theorem in the world | Nobel Prize 2022

Summary

El premio Nobel de Física 2022 fue otorgado a John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger por su investigación y experimentos trascendentales en mecánica cuántica, basados en el teorema de John Bell. Estos estudios desafían la teoría clásica de la realidad y localidad, demostrando que la mecánica cuántica es incompatible con dichas nociones. Los laureados han llevado a cabo pruebas que muestran la existencia de enlace cuántico y han impulsado campos como la computación cuántica y la criptografía cuántica, abriendo puertas hacia lo imposible y lo desconocido.

Takeaways

• 🏆 El Premio Nobel de Física 2022 fue otorgado a John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger por sus investigaciones y experimentos trascendentales en mecánica cuántica.
• 🌐 La investigación de estos científicos se basa en los experimentos originales de John Bell, quien desafió la teoría cuántica con su famoso teorema.
• 🔬 John Bell propuso que si se asumían la localidad y el realismo, ciertas cantidades medidas en la física clásica estarían limitadas, lo que desafió la teoría cuántica.
• 🧪 John Clauser fue el primero en realizar experimentos que violaron la desigualdad de Bell, demostrando que la naturaleza se comporta de manera tan extraña como predijo la mecánica cuántica.
• 🔄 Alain Aspect continuó con los experimentos de Bell, cerrando algunas lagunas y reforzando la evidencia de que la mecánica cuántica es incompatible con el realismo local.
• 🚀 Anton Zeilinger llevó la investigación un paso más allá, demostrando por primera vez la teleportación cuántica, que permite transferir información cuántica entre partículas.
• 🤔 La teleportación cuántica no implica la deslocalización física de objetos, sino la correlación de partículas para transferir información cuántica.
• 📊 El experimento de prueba de Bell, conocido como la prueba CHSH, muestra que los qubits entrelazados violan la desigualdad de Bell, lo que sugiere que la mecánica cuántica no se ajusta al realismo local.
• ⚡ La violación de la desigualdad de Bell implica que las partículas no tienen valores definidos antes de ser medidas, lo que desafía el realismo clásico.
• 🌐 La importancia de estos descubrimientos radica en que la mecánica cuántica, aunque contraintuitiva, es práctica y es la base de tecnologías avanzadas como la computación cuántica y la criptografía cuántica.

Q & A

¿Quiénes ganaron el Premio Nobel de Física en 2022 y por qué?

John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger ganaron el Premio Nobel de Física en 2022 por sus investigaciones y experimentos pioneros en mecánica cuántica, basados en los trabajos originales de John Bell.

¿Qué es el 'Teorema de Bell' y qué demostró?

El 'Teorema de Bell', desarrollado por John Stewart Bell, demostró que si se asumen la localidad y la realidad, ciertas cantidades medidas en la mecánica cuántica están limitadas por lo que permite la física clásica, lo que implica que la mecánica cuántica es incompatible con cualquier teoría clásica que incluya la localidad y la realidad.

¿Qué es la 'inequidad de Bell' y cómo se relaciona con la mecánica cuántica?

La 'inequidad de Bell' es una desigualdad que establece límites para las correlaciones entre mediciones en una teoría clásica que asume localidad y realismo. La mecánica cuántica, al violar esta inequidad, demuestra su incompatibility con dichas nociones clásicas.

¿Qué es la 'función de onda' en la mecánica cuántica y qué implicaciones tiene?

La 'función de onda' en la mecánica cuántica describe todas las propiedades de un sistema cuántico y colapsa en un valor específico solo cuando se mide. Esto implica que los valores son probabilísticos hasta el momento de la medición.

¿Qué es la 'realidad local' y por qué es crucial para entender el 'Teorema de Bell'?

La 'realidad local' es la noción de que las cosas tienen valores definidos, independientemente de si se miden o no, y que no pueden interactuar a velocidades superiores a la luz. Es crucial para entender el 'Teorema de Bell' porque este asume estas propiedades para mostrar la incompatibility entre la mecánica cuántica y la física clásica.

¿Qué es la 'teleportación cuántica' y cómo se diferencia de la teleportación de ciencia ficción?

La 'teleportación cuántica' es un proceso por el cual se transfiere la información cuántica de un sistema a otro a distancia, sin mover físicamente el sistema original. Se diferencia de la teleportación de ciencia ficción, que implica mover objetos o personas instantáneamente a través del espacio.

¿Qué es el CHSH (inequidad de Clauser, Horne, Shimony y Holt) y qué demuestra?

El CHSH es una versión del teorema de Bell que establece una inequidad para las correlaciones entre mediciones en un sistema cuántico. Demuestra que si los sistemas son cuánticos y están en estado de entrelazamiento, las mediciones violan esta inequidad, lo que confirma la naturaleza no local de la mecánica cuántica.

¿Cómo se realiza el experimento de CHSH y qué resultados se esperan según la mecánica cuántica?

El experimento de CHSH implica que dos experimentadores, Alice y Bob, midan proyecciones X o Y de partículas o qubits enviados por un tercero, Victor. Se espera que, si los qubits están entrelazados, la cantidad medida sea aproximadamente 2.8, violando la inequidad de Bell y demostrando la naturaleza cuántica de la mecánica.

¿Por qué la violación de la inequidad de Bell es importante para la física y la tecnología?

La violación de la inequidad de Bell es importante porque confirma la existencia de la entrelazamiento cuántico y la naturaleza no local de la mecánica cuántica, lo que tiene implicaciones profundas para la comprensión fundamental de la física y para el desarrollo de tecnologías avanzadas como la computación cuántica y la criptografía cuántica.

¿Cómo se puede probar la violación de la inequidad de Bell en casa y qué recursos están disponibles para hacerlo?

Se puede probar la violación de la inequidad de Bell en casa utilizando recursos educativos en línea como el libro de texto de Qiskit, que ofrece tutoriales para realizar experimentos de CHSH y explorar la mecánica cuántica desde cualquier lugar.

Outlines

00:00

🌟 Premio Nobel de Física 2022

Olivia Lanes de IBM Quantum celebra y explica la relevancia del Premio Nobel de Física 2022, otorgado a John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger por sus investigaciones y experimentos en mecánica cuántica. Estos trabajos se basan en los experimentos originales de John Bell, quien desafió la teoría cuántica con su teorema. La explicación incluye el contexto histórico de la teoría de Einstein y cómo Bell desencadenó un cambio en la comprensión de la mecánica cuántica.

05:01

🔬 Prueba de Bell y la Realidad Cuántica

Se describe la prueba de Bell y su importancia en la demostración de que la mecánica cuántica no se ajusta a la realidad local. La explicación incluye el concepto de 'realismo' y cómo las pruebas de Bell mostraron que las partículas cuánticas no tienen valores definidos antes de ser medidas, lo que va en contra de la idea clásica de realismo. Además, se aclaran malentendidos sobre la comunicación a través de la velocidad de la luz y se enfatiza la naturaleza no-local de la mecánica cuántica.

10:02

🌐 Implicaciones y Avances en la Mecánica Cuántica

Se discuten las implicaciones de los trabajos de los ganadores del Nobel y cómo estos han llevado a avances en áreas como la computación cuántica, la sensación cuántica y la criptografía cuántica. Se destaca la importancia de la entanglement y cómo estos experimentos han demostrado que la mecánica cuántica es práctica y fundamentalmente diferente a la física clásica. Finalmente, se felicita a los laureados y se reconoce su contribución a la ciencia y al trabajo en la industria de la tecnología cuántica.

Keywords

💡Premio Nobel de Física

El Premio Nobel de Física es una de las prestigiosas medallas que se otorgan anualmente por el Comité Nobel en reconocimiento a contribuciones significativas en el campo de la física. En el guion, se menciona que el premio fue otorgado en 2022 a John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger por sus investigaciones y experimentos en mecánica cuántica, destacando su relevancia y emoción en el mundo científico.

💡Mecánica Cuántica

La mecánica cuántica es una rama de la física que estudia la naturaleza a escalas muy pequeñas, como la de los átomos y las partículas subatómicas. En el guion, la mecánica cuántica es central para entender los experimentos de John Bell y cómo desafían la noción de realismo local, lo cual es esencial para el entendimiento de la física moderna.

💡Teorema de Bell

El teorema de Bell es una demostración matemática que establece límites para las correlaciones entre eventos que pueden ser explicados por una teoría local realista. En el guion, se explica cómo el teorema de Bell sugiere que la mecánica cuántica es incompatible con el realismo local, lo que fue demostrado experimentalmente por los laureados del Nobel.

💡Realismo Local

El realismo local es la idea de que los objetos tienen propiedades definidas independientemente de si las medimos o no, y que no pueden influirse a distancia instantáneamente. En el guion, se discute cómo el teorema de Bell y los experimentos subsiguientes cuestionan esta noción, sugiriendo que la naturaleza no sigue el realismo local.

💡Incompatibilidad con la Mecánica Clásica

La incompatibilidad con la mecánica clásica se refiere a la idea de que la mecánica cuántica no puede ser descrita por las leyes de la física clásica, como se discute en el guion. Esto se demuestra a través de experimentos que violan la desigualdad de Bell, mostrando que la naturaleza no sigue las reglas de la física clásica.

💡Entropía de Bell (Desigualdad de CHSH)

La entropía de Bell, también conocida como la desigualdad de CHSH, es una forma matemática de expresar las limitaciones impuestas por el realismo local. En el guion, se utiliza para ilustrar cómo los experimentos de Clauser, Aspect y Zeilinger mostraron que la naturaleza viola esta desigualdad, lo que confirma la naturaleza cuántica de la física.

💡Teletransporte Cuántico

El teletransporte cuántico no se refiere a la traslocación física de objetos, sino a la transferencia de información cuántica entre partículas entrelazadas. En el guion, se menciona el trabajo de Anton Zeilinger en demostrar por primera vez el teletransporte cuántico, lo que es fundamental para la comunicación y la computación cuánticas.

💡Entrelazamiento Cuántico

El entrelazamiento cuántico es una conexión entre partículas que causa que la medida de una partícula afecte instantáneamente la medida de la otra, independientemente de la distancia. En el guion, el entrelazamiento es crucial para entender los experimentos que violan la desigualdad de Bell y para la comprensión de la naturaleza fundamental de la mecánica cuántica.

💡IBM Quantum

IBM Quantum es una iniciativa de IBM para explorar y desarrollar tecnologías cuánticas, incluyendo computación cuántica, que se basa en los principios de la mecánica cuántica. En el guion, Olivia Lanes de IBM Quantum celebra los laureados del Nobel y destaca la importancia de su trabajo para el avance de la tecnología cuántica.

💡Qiskit

Qiskit es un conjunto de herramientas de código abierto desarrollado por IBM para programar y ejecutar circuitos cuánticos. En el guion, se invita a los espectadores a utilizar Qiskit para realizar experimentos de la desigualdad de CHSH, lo que demuestra cómo la investigación de punta en física cuántica se ha democratizado y se ha hecho accesible a un público más amplio.

Highlights

El premio Nobel de Física 2022 fue otorgado a John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger por su investigación y experimentos en mecánica cuántica.

La investigación se basó en experimentos originales realizados por John Bell, quien falleció antes de ver un reconocimiento de este tipo.

John Bell desafió la teoría cuántica con su teorema, sugiriendo que la mecánica cuántica es incompatible con la localidad y el realismo clásico.

La 'función de onda' en la mecánica cuántica describe las propiedades de un sistema cuántico y colapsa en un valor único al medirse.

Einstein y sus colegas en el paper EPR argumentaron que la mecánica cuántica debe ser una teoría incompleta.

John Clauser fue el primero en realizar experimentalmente una violación de la desigualdad de Bell, demostrando que la naturaleza se comporta de manera tan extraña como predice la teoría.

Alain Aspect realizó pruebas adicionales de la desigualdad de Bell, cerrando algunas de las lagunas teóricas.

Anton Zeilinger demostró por primera vez la teleportación cuántica, que permite transferir información cuántica a través de partículas entangleadas.

La teleportación cuántica no implica la deslocalización física de seres vivos, sino la transferencia de información cuántica entre partículas.

La prueba CHSH (Desigualdad de CHSH) es una demostración específica de la teoría de Bell que muestra la violación de la localidad y el realismo en la mecánica cuántica.

La desigualdad de Bell establece que, bajo el realismo local, ciertos valores medidos deben ser menores o iguales a dos.

Experimentos con partículas entangleadas mostraron valores mayores a dos, violando la desigualdad de Bell y desafiando el realismo local.

La violación de la desigualdad de Bell indica que la mecánica cuántica es incompatible con la localidad y el realismo clásico.

La entanglement cuántica no permite la comunicación más rápida que la luz, sino que muestra que las partículas no tienen valores definidos antes de ser medidas.

Los laureados del Nobel han demostrado que la mecánica cuántica es práctica y es fundamental para áreas como la computación cuántica y la criptografía cuántica.

Los experimentos de Bell son fundamentales para entender la naturaleza y han llevado a avances en la tecnología y la ciencia.

Los laureados del Nobel han contribuido a nuestra comprensión de la mecánica cuántica y han abierto puertas para tecnologías futuras.

Transcripts

- Hi, my name is Olivia Lanes from IBM Quantum

and I'm here today to celebrate and explain the relevance

and the excitement around the 2022 Physics Nobel Prize.

So, just a few days ago,

the Physics Nobel Prize for this year

was awarded to three gentlemen:

John Clauser,

Alaine Aspect,

and Anton Zeilinger.

These gentlemen won the award for groundbreaking research

and experiments in quantum mechanics.

And all of this research was based

upon some original experiments that were done

by a gentleman named John Bell,

who tragically passed away

before he was able to see a Nobel Prize

or something of that magnitude.

But we are going to discuss it here today

and show why the experiments that were built

off of John Bell's original theorem are so important.

So we have to go back a little bit

in history in order to set the stage

and the context of why this is so important.

So, in the sixties,

John Stewart Bell was reading the EPR paper

which was a paper written by Einstein

and some of his colleagues explaining how they believed

that quantum mechanics was an incomplete theory.

Now, in quantum mechanics,

we say there exists this thing called the "wave function."

Which describes all of the properties

of your quantum system.

And upon measurement, it collapses into a single quantity.

That was only described probabilistically

before you measured it.

Anyway, in the paper,

Einstein said that quantum mechanics

must be an incomplete theory

because this could not be possible.

This would necessitate things that he could not

believe to be true.

And so we were either missing something in the theory,

somehow these particles were interacting

in a way that we didn't actually understand

or didn't have a description for yet.

But basically it was not finished.

And sometime later,

John Stewart Bell was reading this paper,

and he sat down and he wrote what is come to be known

as "Bell's Theorem."

In just a few lines of algebra,

he showed that if you only assume two things.

Those things being local realism.

Locality, meaning you can't travel faster

than the speed of light.

And realism,

which means that things have definite values

whether or not you measure them.

So for instance, we always say,

"if a tree falls in the forest

and no one is around to hear it, does it make a noise?"

If the answer is yes,

this would be an example of definite realism.

So he assumed only those two things

in his mathematical derivation.

And he was able to show that there are certain qualities,

quantities that you can measure that are bounded

by classical physics if you assume only local realism.

And essentially he was able to show,

on paper at least,

that quantum mechanics was incompatible

with any classical theory.

So anything that was basically including local realism

could not possibly work with quantum mechanics.

So now a few years later,

John Clauser came along and he was reading Bell's Theorem

and he thought that this should be something

that was able to be done experimentally.

So he was able to actually perform an example

in the laboratory for the first time,

a violation of this equality and show

that indeed, nature behaves as weirdly as predicted.

And so in essence,

Einstein was wrong in his EPR paper.

And this led to groundbreaking work later on

from Alaine Aspect who was able to perform

even more tests of Bell's inequality

and close some of the loopholes, so to speak.

And then this led to Anton Zeilinger

who was able to show the demonstration

for the first time of quantum teleportation.

Which is not what you might think.

it's not at all like Star Trek.

People are not teleporting across the room, but instead,

quantum teleportation is a way to entangle

or correlate quantum particles

in such a way that you can transfer quantum information

from one to another.

So in order to really understand why this is so important

and why this is so groundbreaking,

I want to go back and look

at a very specific demonstration of Bell's tests for you.

There are in fact many different Bell type theorems

that can be shown but we're gonna look at

really one specific one today

which is called the CHSH test

or the CHSH inequality.

And so what you need to do

for this thought experiment is first imagine

a person named Alice

and a gentleman named Bob

and they are standing some distance far away

from one another.

And then there's another guy in the middle,

let's just call him Victor.

And he's going to send a particle

to Alice and to Bob at the same time.

And Alice and Bob are going to perform,

every single time this happens, one of two measurements.

They're going to either measure the X projection

or the Y projection of this particle.

And so you can only measure one at a time.

So in order to have a good understanding

of the measurements of both,

they have to perform this experiment multiple times.

And it's important to note that every time Alice

receives a particle, Bob also receives a particle.

And again, the only thing really assuming here,

is local realism.

So these particles are not moving faster

than the speed of light.

Bob and Alice can't call each other faster

than the speed of light and communicate information,

nothing like that.

And these particles also have these definite values

that are either going to be one or minus one

because, let's just say they are, they're normalized.

So the values for X and Y for Alice

and X and Y for Bob,

can only be one or minus one.

They are binary.

So now at this point,

we need to write down what is known as the CHSH value.

So, this is like so,

Alice's measurement of X times

Bob's measurement of x

plus Alice's measurement of X,

Bob's measurement of Y,

Alice's measurement of Y,

Bob's measurement of X.

And then you subtract from that sum

Alice's measurement Of Y

and Bob's measurement of Y.

And it really doesn't matter where this quantity comes from.

The fact is, if we look at it a little bit closer,

we can factor out

the Alice quantities

from the Bob quantities.

And you see, we would get something like this.

And I drew this for you here,

a little equal sign there at the end,

so you can see that either this value

every time the experiment is performed

or this value is going to be equal to zero.

Because either you are measuring one minus one

or you're gonna have minus one plus one.

The values again, can only be one or minus one.

So the maximum value this quantity could take on

is equal to two,

at most.

But remember,

we're running this experiment many, many times.

So say we ran this experiment, you know,

hundreds of times and we're measuring

a few different values every time Alice is measuring X and Y

and a few different values

every time Bob is measuring X and Y.

That means that this is actually bounded by two again

but it can be equal to

two or less than two.

Once we take the averages,

and that's what these little brackets mean here.

We're gonna take the average of all of these measurements.

All right.

So this value has to be less than two.

If the only assumptions we are making are locality

and realism.

However, let's think about this experiment again.

Slightly differently.

Let's now assume that instead of a particle,

just a random object Alice and Bob are receiving,

they are going to be receiving entangled qubits.

These are qubits.

It doesn't matter how they were entangled originally

at the beginning, let's just say that they are.

What you're actually going to measure,

once you perform this experiment hundreds of times,

is that this quantity is going to be approximately

2.8. Not two, not less than two.

We know for sure that 2.8 is greater than two.

Which means that if these qubits obey the laws

of quantum mechanics, which we know they do,

quantum mechanics violates Bell's inequality.

It is incompatible with local realism.

So either something is moving faster

than the speed of light or,

these particles do not have definite values

before they are measured.

And now a lot of people, I think,

misconstrue what this actually means.

Some people think that this opens the gateway

for faster than light communication.

This is not the case.

Let me be very clear about that,

because this is a really easy mistake to make.

Bob and Alice are not communicating

with each other faster than the speed of light.

There's no possible way to do that.

The particles become entangled,

and when you measure them, say Alice measures one,

we know that instantaneously the other particle

is going to choose the opposite

correlated value, negative one.

But that does not mean that Alice and Bob

are able to communicate with each other

faster than the speed of light.

No information is being transferred at that speed.

So that's really important to know.

And since there's no evidence of anything

in the universe traveling faster than the speed of light,

the way that most scientists have interpreted this is

that we have to give up the idea of realism.

These quantum particles actually do not have

values that are specific to them before you measure them.

They are instead described by what Einstein

(chuckles) called and resented the "wave function."

And so it has some probability of being

in either state one or minus one before you measure it.

And you might be wondering,

where does this 2.8 number come from?

Certainly it's greater than two,

and we can understand

that it does indeed violate this inequality.

But where does this 2.8 come from?

And so, if you're interested,

I challenge you to go online to the Qiskit textbook,

and the link is linked below in the bio,

and to try your hand

at this experiment for yourself right now.

There is a tutorial actually already published online

on the Qiskit textbook, on the CHSH inequality.

And you can run the experiment from your couch

or wherever you are right now,

and see indeed that you are going to get a number

that is approximately 2.8.

And while you might not win a Nobel Prize

for doing this because lots of experiments

in this vein have been done at this point,

I still think it's miraculous

that we have gone in a few decades

from an experiment that is Nobel Prize winning

to an experiment that you can do,

that I can do, from anywhere in the world.

So what this showed is that quantum mechanics

is even weirder and even more mysterious

than we initially thought it was.

It's completely incompatible with any classical theory

that we can come up with.

If you assume locality and realism.

And reading this you might think that makes no sense.

That's impossible. I hate it.

But what these gentlemen who just won the Nobel

were able to do is read this, this proof,

this thought experiment,

and then go to the lab and actually demonstrate

it in real life.

So it's not just weird on paper,

it's weird in the real world.

Quantum mechanics brings us to the brink

of the impossible and it brings us to the point

at which we shouldn't be able to

fully comprehend what's going on, but no further than that.

And so that's why it's just a really,

really exciting time for us in the field today.

Because these scientists showed

that not only is quantum mechanics weird and mysterious

and counterintuitive, it is practical.

And everything that we are working on

today at IBM Quantum,

everything that other quantum computing companies

are working on, quantum sensing, quantum cryptography,

are all built upon these experiments

which showed for the first time that entanglement,

quantum entanglement,

really is something that is so fundamentally different

than classical physics can describe.

So I want to wish congratulations

to the Nobel Laureates, again,

from myself and everybody here at IBM

and thank them for their work

and for our jobs as well.

(gentle music)