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El día en que la física cuántica llegó al Instituto Nacional y al Liceo 7 de Providencia

por Marco Fajardo

1 octubre, 2019

El día en que la física cuántica llegó al Instituto Nacional y al Liceo 7 de Providencia

Fue una iniciativa inédita con más de 200 estudiantes, liderada por dos científicos chilenos. Los resultados del "experimento" fueron publicados en la última edición de la revista Physics Education, editada por el Institute of Physics del Reino Unido. "Se incluía una simulación en vivo de verificación de entrelazamiento cuántico entre dos partículas que cumplen las leyes de la mecánica cuántica, todo sin instrumental ni equipamiento experimental, sino que mediante un esquema de 'juegos de rol'”, explicó María José Carreño, científica del Instituto Milenio de Óptica (MIRO).

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Una iniciativa inédita se realizó entre 2018 y 2019 en el Instituto Nacional y el Liceo 7 de Providencia.

Se trató de enseñar física cuántica a más de 200 alumnos, en una actividad liderada por Felipe Herrera y María José Carreño, dos científicos del Instituto Milenio de Óptica (MIRO).

"Más que un método, se trata de una estrategia de enseñanza de física cuántica, en específico del entrelazamiento cuántico", explica Carreño, que celebró que al final hubo "un notable aprendizaje de los estudiantes".

La nueva modalidad, creada y aplicada en Chile, podría ser la respuesta para fomentar el desarrollo de este campo en nuestro país, según sus creadores, que publicaron los resultados de la idea en la revista científica británica Physics Education.

En este trabajo participaron además Jonathan Sepúlveda, Silvia Tecpan y  Carla Hernández del Departamento de Física de la Universidad de Santiago.

Cómo explicar conceptos

Para poder implementar la idea, Herrera partió partió haciéndose la pregunta de cómo poder explicar conceptos fundamentales en mecánica cuántica a niños de Enseñanza Media, sin usar matemáticas sofisticadas y sin instrumental costoso.

"Esto es algo que para muchos investigadores en física cuántica podría considerarse inviable, porque normalmente se estudian conceptos fundamentales como el entrelazamiento cuántico solo después de haber tomado muchos ramos de matemática y de física en carreras científicas en la universidad", explica este académico del Departamento de Física de la Universidad de Santiago de Chile (USACH).

Herrera no tenía una idea concreta sobre cómo lograr esto, hasta que escuchó el comentario de uno de los fundadores del campo de la información cuántica acerca de cómo el entrelazamiento cuántico se parecía a dos sobres que no se pueden abrir sin destruir dicho entrelazamiento.

"Esa idea me dio vueltas en la cabeza por bastante tiempo, hasta que finalmente, y discutiendo con mis estudiantes de posgrado, logramos darle una forma distinta, pero consistente, que a la vez fuera simple de entender", remata.

El factor criptografía

La física cuántica tiene gran importancia en áreas como la futura computación y en la seguridad informática a través de sistemas que codifican los datos (criptografía). Eso explica la importancia de facilitar su enseñanza.

En este caso, la iniciativa se realizó con alumnas de 1° a 3° medio del Liceo 7 de Providencia y alumnos de la Academia de Química del Instituto Nacional, que fueron los seleccionados para vivir esta experiencia.

Durante los meses de octubre y noviembre del año 2018 se realizaron cuatro charlas de 50 minutos, una en el Planetario, dos en el Liceo 7 y una en el Instituto Nacional. En esta experiencia participó un grupo multidisciplinario compuesto tanto por científicos como profesores de física.

"En una carrera de química o bioquímica normalmente se puede ver mecánica cuántica al tercer año de la carrera. En una carrera de física es lo mismo", destaca Herrera.

Asimismo, en algunos colegios en Chile se ve la estructura atómica usando nociones de mecánica cuántica, pero esto no es una práctica generalizada en el sistema escolar chileno. En el mundo es lo mismo, salvo que puede haber porcentualmente una mayor cantidad de colegios que vean este contenido en el currículo, agrega.

"Conceptos de física cuántica fundamental como el entrelazamiento cuántico no se ven en ninguna parte del mundo. De ahí viene el impacto de lo que hicimos", resalta.

Juegos de rol y entrelazamiento cuántico

Para llegar a estos resultados los científicos prepararon diversas actividades.

Carreño explica que allí “se incluía una simulación en vivo de verificación de entrelazamiento cuántico entre dos partículas que cumplen las leyes de la mecánica cuántica, todo sin instrumental ni equipamiento experimental, sino que mediante un esquema de 'juegos de rol' con dos voluntarios, en donde la audiencia debe descubrir por sí misma el significado del entrelazamiento cuántico”.

El entrelazamiento cuántico es un tipo de correlación, o conexión, entre dos partículas que comparten propiedades físicas, aun cuando puedan estar separadas por años luz de distancia. Esta es una característica que no tiene comparación en la experiencia diaria común, pero sin embargo permite el desarrollo de nuevas tecnologías como la computación cuántica.

"En breves términos, el método consiste en simular lo que se conoce en el campo de la información cuántica como un Test de Bell, qué consiste en determinar si dos partículas poseen o no entrelazamiento cuántico", detalla el especialista.

En un test de Bell, existen dos partes o entes desconectados entre sí, a los que se llama Alice y Bob, que reciben cada uno una de las dos partículas, para luego llevar a cabo una serie de mediciones de manera independiente y aislada el uno del otro. Luego Alice y Bob se comunican sus resultados de los experimentos y, sobre la base de ellos, pueden determinar si las partículas que recibieron tenían entrelazamiento cuántico o no.

"En nuestra demostración, simulamos todo este proceso usando dos voluntarios del público que actúan como Alice y Bob, y uno de nuestros voluntarios actúa como fuente de entrelazamiento cuántico. Realizamos el test simulado de manera tal que el público puede descubrir por sí mismo en qué consiste el entrelazamiento cuántico solamente analizando los resultados de las mediciones simuladas de Alice y Bob", cuenta Herrera.

Experiencias futuras

Ahora la idea es repetir esta experiencia en el futuro.

"Una de las motivaciones para sistematizar y publicar esta experiencia el Physics Education es incentivar el uso de esta metodología y replicarla en cualquier escuela del mundo. Claramente para nosotros sería mucho más satisfactorio que primero se pudiera replicar en otros colegios de nuestro país", señala el académico.

Por eso, el llamado es a los profesores de física y química de Enseñanza Media a que se pongan en contacto con el MIRO para que puedan enseñarles a implementar esta experiencia en sus propios colegios.

“Demostramos al mundo que es posible enseñar a estudiantes de secundaria conceptos fundamentales en información cuántica”, concluye.

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