Extraído: http://www.comoves.unam.mx/
Autor: Sergio de Régules
Los habitantes de la ciudad de México podríamos ser los más
fervientes partidarios de una línea de investigación en física que se ha
estado desarrollando en años recientes: la teletransportación cuántica.
¡cómo me gustaría poder trasladarme instantáneamente de un lugar a otro
simplemente oprimiendo un botón, sin tener que padecer el tráfico de
esta ciudad ni la mala educación de sus automovilistas! ¿será posible?
¿estará próximo el día en que podamos prescindir de nuestros vehículos y
trasladarnos a donde sea instantáneamente?
Hace unos meses los medios de comunicación anunciaron que un equipo de
la Universidad Nacional Australiana había logrado teletransportar un
rayo láser. El rayo desapareció de un lugar y en un abrir y cerrar de
ojos reapareció desplazado un metro.
En las películas de ciencia ficción se dice que las personas se
teletransportan cuando desaparecen de un lugar y reaparecen en otro (si
no desaparecen del lugar original entonces se duplican, no sólo se
teletransportan). Para teletransportar a una persona primero habría que
extraer toda la información que contiene —¿de qué está hecha?, ¿en qué
posición se encuentra cada partícula?, ¿en qué estado?— lo cual se
podría hacer con algún tipo de medición, digamos, por medio de un
aparato que, como un escáner digital, lea y registre toda esa
información. Tendrías que ser muy cuidadoso porque a la hora de
teletransportar no querrías que a la estación receptora llegue una copia
defectuosa ni incompleta del objeto original, sobre todo si el objeto
original eres tú.
Como estás hecho de electrones, protones y neutrones, y éstos son
iguales en todas partes, no sería necesario enviar a la estación
receptora las partículas originales que te componen. Bastaría con la
información de sus posiciones y características. Con la receta en mano,
no le sería difícil a la estación receptora agenciarse electrones,
protones y neutrones en números suficientes para reconstruirte en
glorioso tecnicolor.
El problema con la teletransportación es que un principio muy general
de la mecánica cuántica —el principio de incertidumbre de
Heisenberg—dice, en pocas palabras, que es imposible extraer por
medición toda la información acerca del estado y las características de
un objeto. Por lo tanto, el escáner imaginario no puede obtener
toda la información necesaria para reconstruirte en la estación
receptora. Al parecer, la mecánica cuántica prohíbe la
teletransportación. ¡Qué fiasco!
En 1993 Charles H. Bennett y sus colaboradores idearon teóricamente una
manera de usar las mismísimas leyes de la mecánica cuántica que impiden
extraer por medición toda la información acerca de un objeto, para
extraer la información que no se puede medir. Esto lo hicieron por medio
de un efecto cuántico llamado efecto EPR. Con la información
complementaria se puede construir una réplica del objeto original en
otro lugar. Los científicos llamaron al procedimiento teletransportación cuántica.
Tenebrosa acción a distancia
Cuando los físicos se adentraron con la mecánica cuántica en el mundo
de los objetos más pequeños de la naturaleza se llevaron muchas
sorpresas. El reino de las moléculas, los átomos y las partículas
subatómicas no se comporta como el mundo macroscópico cotidiano de la
llamada física clásica (la de antes de la mecánica cuántica).
Los neutrones, partículas que se suelen encontrar en los núcleos
atómicos, se desintegran al cabo de cierto tiempo si no forman parte de
un átomo. Si los neutrones fueran objetos clásicos (por ejemplo, granos
de maíz en un horno de microondas), podríamos, por lo menos en
principio, predecir en qué momento preciso se desintegrará un neutrón
dado (o se convertirá en palomita un grano de maíz). La mecánica
cuántica ni siquiera lo intenta; sólo permite calcular con qué
probabilidad se desintegrará el neutrón en cierto lapso.
Este aspecto probabilístico de la mecánica cuántica fastidiaba de lo
lindo a Albert Einstein, uno de los principales creadores de esa teoría.
Einstein pensaba que una teoría que sólo daba probabilidades no era
completa. Debía ser posible construir una teoría más profunda que la
mecánica cuántica que sí permitiera predecir, por ejemplo, en qué
momento se desintegra un neutrón.
En 1935 Einstein y los físicos Boris Podolsky y Nathan Rosen
escribieron un artículo con el que pretendían incitar a sus colegas a
buscar una teoría más completa que la mecánica cuántica. Para eso
idearon un experimento imaginario:
Un aparato produce parejas de partículas con cierta propiedad que puede
tener sólo dos valores, digamos 1 y 0 (grano y palomita, desintegrado y
sin desintegrar, vivo y muerto…). Si hiciéramos mediciones sobre las
partículas, veríamos que una tiene el valor 1 y la otra el valor 0 de
esa propiedad. Pero si no hacemos mediciones la descripción cuántica no
permite asignarle un estado definido a cada partícula. Ni modo, así es
la mecánica cuántica.
Si la mecánica cuántica fuera la teoría más completa posible —si lo que
no dice la mecánica cuántica no existe— entonces antes de cualquier
medición las partículas están de hecho en un extraño estado indefinido
que no es ni 1 ni 0. Muy bien, ahora se hace la medición en una
partícula y se determina que tiene el valor 0. La otra tiene que
adquirir inmediatamente el valor 1. Por lo tanto, hacer mediciones en
una de las partículas afecta a la otra, resultado bastante extraño. Pero
las partículas podrían estar alejadísimas—por ejemplo, en lados
opuestos de la galaxia. Pues bien, dijeron Einstein, Podolsky y Rosen,
si la mecánica cuántica fuera completa habría que concluir sin remedio
que, de todos modos, hacer mediciones sobre una de las partículas afecta
a la otra, resultado aún más e x t r a ñ o . Einstein llamaba con sorna
a este efecto "tenebrosa acción a distancia". Hoy se le conoce como efecto EPR.
El experimento EPR está concebido como un experimento pensado —no hay que hacerlo, basta pensarlo para llegar a la conclusión de los autores.
Hoy en día, cerca de 70 años después, los físicos están realizando el
experimento EPR, pero no sólo para justificar posturas filosóficas, sino
para explorar y aprovechar los extraños fenómenos cuánticos.
Ser y/o no ser
El efecto EPR no es el único fenómeno cuántico insólito. Un grano de
maíz en el horno de microondas puede encontrarse en uno de dos estados: grano o palomita. Si
no es lo uno, será lo otro sin remedio. Los dos estados posibles de
este objeto clásico se excluyen mutuamente. Pero si fuera un objeto
cuántico, el grano de maíz podría estar también en una combinación
extraña de esos dos estados: ni grano ni palomita, tampoco medio grano y
medio palomita, sino más bien grano/palomita (con distintos grados de
lo uno y lo otro). Este fenómeno se llama superposición de estados coherentes y es exclusivo de la mecánica cuántica (véase "El gato de Schrödinger, ¿Cómo ves?, No. 8).
Me apresuro a decir que un objeto macroscópico como un grano de maíz no
puede estar en una superposición coherente. Los estados superpuestos
son muy frágiles; a la menor interacción con el entorno se esfuman y dan
lugar a un estado bien definido. Un objeto hecho de muchas partículas
es muy difícil de aislar de su entorno, por lo que muy pronto se produce
lo que se conoce como decoherencia, la destrucción de la
superposición, dejando al objeto macroscópico en uno de los dos estados
clásicos: grano o palomita, sin opciones.
Los objetos suficientemente pequeños pueden mantenerse en una
superposición coherente durante más tiempo, pero sólo a condición de no
recibir ni la menor sacudida del exterior. Los estados superpuestos son
privilegio de los objetos cuánticos que no han interactuado con nada, lo
cual quiere decir que no los podemos detectar directamente, porque para
detectarlos habría que interactuar con ellos.
Estados promiscuos
Para la teletransportación cuántica lo más interesante son los estados
superpuestos de un sistema compuesto de dos o más partículas. Imagínate
que haces el experimento EPR. Para eso produces un par de partículas p1 y p2.
Cada una por su cuenta podría estar en alguno de dos estados, 1 o 0 —o
en una superposición, siempre y cuando no hagas nada para alterarlas—.
Si les haces algo, entonces una queda en el estado 1 y la otra en el 0.
Pero la mecánica cuántica no permite considerar a estas partículas por
separado. Sólo puede asignarles estado a las dos juntas. El conjunto
tiene a su vez dos estados, I y II:
I: la partícula p1 se encuentra en el estado 1 y la partícula p2 se encuentra en el estado 0
II: la partícula p1 se encuentra en el estado 0 y la partícula p2 se encuentra en el estado 1
Estos estados también se pueden superponer cuánticamente.
Vayamos más despacio porque aquí se encuentra el argumento central de
la teletransportación cuántica. Una sola partícula con dos estados
clásicos incompatibles tiene la posibilidad, en mecánica cuántica, de
encontrarse en una superposición de esos estados. Un sistema compuesto
por dos partículas se puede considerar como un solo objeto que puede
encontrarse en los estados I y II, así como en una infinidad de estados cuánticos superpuestos de I y II. Cuando este sistema compuesto se encuentra en una superposición coherente tiene las siguientes características:
2. Si se hace una medición en una de las partículas del sistema y se determina que es 1, la otra adquiere, inevitable e instantáneamente, el valor 0 (y la superposición coherente se destruye).
Este insólito tipo de estados de dos o más partículas se conoce en inglés como entangled states, expresión que traduciremos desvergonzadamente como estados enredados. El
enredamiento cuántico es un vínculo muy extraño entre dos partículas.
Puede surgir cuando las partículas se encuentran y persiste mucho
después, aunque estén separadas por las distancias más grandes.
En física clásica, si dos partículas que deben tener estados opuestos
se separan y luego se determina que una se encuentra, por ejemplo, en el
estado 1, sabemos de inmediato que la otra se encuentra en el estado 0.
Pero también sabemos que la otra partícula ya se encontraba en
ese estado antes de que hiciéramos mediciones sobre su compañera. Medir
el estado de una no implica ninguna interacción con la otra.
Pero en mecánica cuántica las partículas no se encuentran en ninguno de
los estados posibles antes de la medición. Cuando observamos una de las
partículas para obtener su estado, la partícula adquiere uno de los
estados clásicos. Como la otra está obligada a tener el estado opuesto
—y antes de la medición se encontraba en un estado indefinido— la
operación de medición sobre su compañera la afecta como si se la
hubieran hecho a ella. Como dijo acerca de las partículas enredadas uno
de los físicos que estudian la teletransportación cuántica: "si le
hacemos cosquillas a una, se ríe la otra".
Teletransportación cuántica
Ya es tradición que los personajes que se usan para ilustrar la
teletransportación cuántica se llamen Alice y Bob. Yo los llamaré Alicia
y Beto. Alicia tiene una partícula M (de "mensaje") en un estado cuántico cualquiera. Para teletransportar M a
casa de Beto, Alicia podría simplemente determinar el estado de la
partícula y comunicárselo a Beto por teléfono, pero, como vimos, en
cuanto Alicia trata de medir el estado de M, éste cambia y Alicia se queda sin la información que quería.
Hay otra manera de hacerlo. Según el esquema de Bennett y sus colaboradores, para teletransportar M lo primero que tienen que hacer Alicia y Beto es producir un par de partículas enredadas A y B, que
servirán de intermediarias. Cada quien se lleva una partícula a su casa
teniendo cuidado de no destruir la fragilísima coherencia (lo cual es
muy difícil en la práctica). Una vez allí, Alicia toma sus dos
partículas, M y A, y las enreda cuánticamente. Como A también está enredada con B, si se hacen mediciones se encontrará que:
M y A tienen estados contrarios y A y B tienen estados contrarios lo cual sólo es posible si B se encuentra en el mismo estado que M.
Hay cuatro maneras distintas de enredar las partículas M y A,
cada una con 25 % de probabilidad de producirse, pero Alicia no puede
controlar en cuál de estos estados quedarán sus partículas (otra
característica de la mecánica cuántica). Luego de la operación, Alicia
tiene que informarle a Beto cuál de los cuatro estados enredados
posibles obtuvo, y para eso tendrá que usar algún medio de comunicación
tradicional. La teletransportación cuántica no es instantánea porque
Alicia tiene que enviar información clásica a Beto. Con esta
información, Beto aplica a su partícula B el tratamiento adecuado para que adquiera el mismo estado que M. La partícula que otrora fue B se ha convertido en una réplica exacta de M. La partícula que otrora fue M pierde su estado original al enredarse con A, de modo que el proceso equivale a una teletransportación y no a una duplicación.
Esta manera de transmitir información tiene características bastante
insólitas. Para empezar, ni Beto ni Alicia tienen que saber en qué
estado se encontraba M. La distancia que media entre Alicia y
Beto no importa (se ha probado experimentalmente que los estados
enredados se conservan por lo menos hasta distancias de 10 kilómetros,
pero teóricamente se conservan aunque la distancia fuera de miles de
millones de años luz). Es más, Alicia ni siquiera tiene que saber dónde
se encuentra Beto. El efecto EPR se encarga de llevar la información a
su destino.
El fallo del jurado
Sí, muy bien, me dirán, pero ¿funciona? Las revistas especializadas ya
están plagadas de informes de experimentos de teletransportación. La
primera realización experimental de proceso ideado por Bennett y sus
colaboradores la llevó a cabo un equipo internacional de físicos en la
Universidad de Innsbruck, Austria, quienes consiguieron imprimirle el
estado de polarización de un fotón (partícula de luz) a otro. Luego, en
mayo de este año, el equipo de la Universidad Nacional Australiana
teletransportó el rayo láser. En otro frente los físicos están tratando
de enredar cuánticamente sistemas de partículas cada vez más numerosos y
hacer durar la delicada coherencia lo más posible (el récord son unos
cuantos microsegundos).
Sergio de Régules es físico, autor de innumerables artículos de
divulgación y de los libros El Sol muerto de risa (Pangea) y Cuentos
cuánticos (ADN editores), y coautor de El piropo matemático (Ed.
Lectorum). Trabaja en el Museo de las Ciencias Universum.
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