Introducción

¿Quién no desearía poderse trasladar en un chasquido de dedos a un lugar remoto sintiendo el silencio y el espectáculo bucólico en medio de un trigal bañado por los últimos destellos bermejos de un sol del atardecer, o estar disfrutando recorriendo apasionadamente los grandes almacenes de la Gran Manzana de New York? Si tal posibilidad aún nos puede parecer muy lejana, perteneciendo al reino de la ciencia ficción, en el diminuto cosmos cuántico, para sus “habitantes” tales como los fotones, los electrones o incluso los átomos, esto no sería tan extraño… Tal posibilidad se concreta en lo que podemos denominar el teletransporte cuántico.

En esencia el teletransporte cuántico es la transferencia de un estado cuántico de un lugar a otro. Esto significa realizar una copia con la condición de que se destruya el original. Por ejemplo, se puede teletransportar la polarización del fotón1, no el fotón mismo, pero como que este estado cuántico es su característica definitoria, teletransportar éste equivale a teletransportar la partícula, en este caso el fotón. A primera vista, el teletransporte implica algunos problemas; el primero en relación con la Teoría de la Relatividad y el segundo derivado de los mismos cimientos de la Física Cuántica. En primer lugar, la Teoría de la Relatividad afirma que nada puede moverse más deprisa que la luz. Transportar información de un lugar a otro instantáneamente como podemos ver en películas y novelas no sería, pues, posible. En segundo lugar, el propio principio de incertidumbre de la cuántica nos impide realizar un barrido perfecto con el fin de extraer la información necesaria relativa al objeto que se quiere teletransportar, ya que la posición y la velocidad de cada átomo estarían sujetas a errores. Recordemos que dicho principio nos impide conocer simultáneamente con precisión la posición y la velocidad de una partícula. No es posible saber consecuentemente con exactitud su estado cuántico y de hecho éste es necesario para recaptar toda la información que requiere la descripción exacta del original. Esto nos impide realizar cualquier copia perfecta (teorema de la no clonación cuántica). A pesar de estos problemas iniciales hay una forma de franquearlos utilizando otra propiedad del enigmático mundo cuántico; la del entrelazamiento o enredo cuántico.

1- ¿Qué es una polarización?

La luz sin polarizar está constituida por fotones que vibran en todas las direcciones; por ejemplo, la luz de una bombilla o la del Sol es la luz no polarizada.polarizada_y_no_polarizadaPor ejemplo, cuando incidimos con un haz de luz sobre un cristal de cuarzo, éste divide el haz en dos rayos polarizados que vibran en planos mutuamente perpendiculares.

El enredo cuántico fue demostrado por primera vez por el equipo de A. Aspect en 1982, validando el principio de no localidad para la teoría cuántica. Conociendo el estado inicial global de dos fotones o de dos electrones, y separando éstos posteriormente, si alteramos el estado de uno mediante una medición, el otro miembro de la pareja automáticamente se verá influido por una especie de misteriosa acción a distancia, poniéndose en correlación con su “compañero”. Tal es el caso del spin de los electrones o la polarización de fotones. Por ejemplo, supongamos que el spin total de un par de electrones es nulo (sin conocer el spin individual de cada uno) y separamos ambos electrones enviándolos en direcciones opuestas, si medimos el spin de uno y nos sale spin up (por conveniencia dicho spin indica una rotación en dirección contraria a las agujas del reloj), el otro electrón correlacionado cuánticamente con el anterior, adquiere spin down. En cualquier caso, el segundo electrón adquiere spin opuesto, no importa lo lejos que estén, o sea, se trata de una acción independiente del espacio que media entre ellos. Esto nos podría inducir a pensar en una transferencia instantánea de información de un sitio a otro, chocando con la Teoría de la Relatividad. El caso es que aquí no se produjo ninguna transferencia de información; la correlación instantánea se entiende como una conexión al principio entre los dos electrones, llamado enredo cuántico y uno se puede valer de dicho entrelazamiento para conseguir el teletransporte cuántico. Dicho teletransporte se realizó por primera vez con fotones en 1997 por un equipo de investigación de la Universidad de Innsbruck, liderado por Anton Zeilinger.

Polarización de fotones a traves de un cristal de borato de bario beta.

¿Cómo se puede crear un par de fotones entrelazados? Cuando se hace atravesar un haz láser a través de un cristal de borato de bario beta, éste divide los fotones, unos polarizados verticalmente, otros horizontalmente y otros sin tener una polarización definida. Éstos últimos serán los fotones entrelazados cuyo estado es una combinación entre la polarización vertical y horizontal, llamada superposición cuántica.

estados_bellVoy a explicar el teletransporte cuántico partiendo inicialmente de tres fotones. Álvaro y Blas disponen de un par de fotones entrelazados. En calidad de miembro de un par entrelazado cada fotón carece de estado de polarización propio y el enredo garantizará que si a Álvaro le sale un tipo de polarización (vertical, por ejemplo) a Blas su fotón le saldría polarización opuesta (horizontal) en caso de separar a ambos. Obsérvese en el cuadro adjunto2 cómo se puede crear un par de fotones entrelazados. Pongamos el caso que Álvaro escoge el fotón A y Blas, el fotón B. Por otra parte, Álvaro adquiere otro fotón al cual llamaremos X, el cual quiere teletransportar a Blas. No se sabe qué polarización tiene X, pero aún sin saber cuál es, nos interesa que Blas adquiera un fotón de la misma polarización, haciendo que su fotón B sea una copia de X. Aquí es importante destacar al respecto que lo único que se teletransporta es la polarización del fotón, o su estado cuántico, pero, como ya he dicho antes, como que el estado cuántico es su característica definitoria, teletransportarlo equivale a teletransportar la partícula.

teletransporte_cuantico

Como se puede observar en el dibujo, para teletransportar el fotón X, Álvaro lo mide conjuntamente con el fotón A, sin determinar sus polarizaciones individuales. Por ejemplo, pongamos el caso que le salga una polarización perpendicular entre sí. La medición de Álvaro hará que cambie el fotón de Blas, por estar entrelazado con A, correlacionándose con esta medición y con el estado que X tenía originalmente. Pero, para completar el teletransporte, Álvaro deberá enviar un mensaje a Blas mediante un método convencional, por email por ejemplo, comunicándole el resultado de la medición. El ajuste que deberá aplicar Blas en su aparato de medición dependerá del resultado de la medición de Álvaro. Como se ve en el dibujo adjunto, deberá ajustar su aparato con el resultado “2”. De esta forma el fotón B se convierte en una copia exacta de X. Es importante destacar que Blas no sabrá cómo procesar su fotón hasta que no conozca el resultado de la medición de Álvaro; por esta razón, el teletransporte cuántico está sujeto a la limitación de la velocidad del envío del mensaje, que como máximo es la velocidad de la luz. Incluso la prometedora acción a distancia instantánea de la mecánica cuántica es incapaz de enviar una información aprovechable a una velocidad mayor a la de la luz. También es necesario recordar que tras el experimento no hay dos copias idénticas del fotón X: el hecho de que Álvaro haya medido el fotón X junto con el de A, hace que se perturbe su estado original, y también en calidad de miembro de un par entrelazado carece de estado de polarización propio.

Realizar el teletransporte gracias al entrelazamiento es consecuentemente una vía válida, siempre que no queramos ver el estado particular del fotón en cuestión, eludiendo así las limitaciones del Principio de Incertidumbre.

¿Qué futuro nos depara el teletransporte cuántico? Hasta el momento presente se ha logrado, aparte de los primeros teletransportes de fotones, el teletransporte de iones y átomos. En 2007 se consiguió transferir las propiedades de un fotón a otro a una distancia de 144 km por un equipo de investigadores de la ESA. Recientemente, a principios de 2009, se consiguió la transferencia del estado cuántico de un ión de iterbio a otro por un equipo de investigación de la Universidad de Maryland. En las próximas décadas, un reto sería el teletransporte de moléculas complejas, incluso de virus. Pero, por notables que sean los experimentos realizados, estamos aún muy lejos del teletransporte cuántico de objetos grandes. Una dificultad radica en que se requiere un par de objetos entrelazados del mismo tipo y éstos deben estar suficientemente aislados del entorno. Es importante que cada partícula del par entrelazado se mantenga perfectamente aislada de cualquier perturbación externa. Otra dificultad son los bits de información que se habrían de manejar. Por ejemplo, de un pequeño virus, que consta de 107 átomos, habríamos de extraer 108 bits de información; un objeto de sólo unos gramos generaría 1024 bits de datos, y un ser humano requeriría 1028 bits de información. ¡Espectacular! De momento esta posibilidad parece muy lejana, pero también es cierto que se han logrado hitos que antes se consideraban inconcebibles. De momento sabemos que el teletransporte cuántico se puede utilizar en la comunicación cuántica a largas distancias, en la computación para transferir información entre procesadores cuánticos, y también en la construcción de ordenadores cuánticos. También tiene su aplicación en la transmisión completamente confidencial de datos, la criptografía cuántica.

Complementariamente, todos estos experimentos prometedores nos ayudan un poco más a entender el mundo en que vivimos, desde la dimensión diminuta de la cuántica que nos sorprende con sus principios que parecen ir en contra de nuestro sentido común, donde lo imposible parece encontrar un hueco en nuestra mente, hasta la dimensión cosmológica que nos halaga con sus miles de misterios que laten en sus rincones más recónditos.

Teresa Versyp / Enero 2010

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