El Teletransporte (y 2)

(Viene de la entrada anterior)

La clave para el teletransporte cuántico reside en un famoso artículo de 1935 escrito por Albert Einstein y sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen, quienes, irónicamente, propusieron el experimento EPR (llamado así por las iniciales de los apellidos de los tres autores) para acabar, de una vez por todas, con la introducción de la probabilidad en la física. (Hablando de los innegables éxitos experimentales de la teoría cuántica, Einstein escribió: «Cuanto más éxito tiene la teoría cuántica, más absurda parece»).

Si dos electrones vibran inicialmente al unísono (un estado llamado coherencia), pueden permanecer en sincronización ondulatoria incluso si están separados por una gran distancia. Aunque los dos electrones puedan estar separados a años luz, sigue habiendo una onda de Schródinger invisible que los conecta, como un cordón umbilical. Si algo sucede a un electrón, entonces parte de esta información es transmitida inmediatamente al otro. Esto se denomina «entrelazamiento cuántico», el concepto de que partículas que vibran en coherencia tienen algún tipo de conexión profunda que las vincula.

Empecemos con dos electrones coherentes que oscilan al unísono. A continuación, hagamos que salgan disparados en direcciones opuestas. Cada electrón es como una peonza giratoria. Al giro del electrón se le llama espín y puede ser espín arriba o espín abajo dependiendo de que el eje de giro apunte hacia arriba o hacia abajo. Supongamos que el giro total del sistema es cero, de modo que si un electrón tiene espín arriba, entonces sabemos automáticamente que el otro electrón tiene espín abajo. Según la teoría cuántica, antes de hacer una medida, el espín del electrón no es arriba ni abajo, sino que existe en un estado de espín arriba y abajo simultáneamente. (Una vez que hacemos una observación, la función de onda «colapsa» y deja la partícula en un estado definido).

A continuación, se mide el espín de un electrón. Si es, digamos, espín arriba, entonces sabemos instantáneamente que el otro electrón está en espín abajo. Incluso si los electrones están separados por muchos años luz, sabemos instantáneamente cuál es el espín del segundo electrón en cuanto medimos el espín del primer electrón. De hecho, lo sabemos más rápidamente que la velocidad de la luz. Puesto que estos dos electrones están «entremezclados», es decir, sus funciones de onda laten al unísono, sus funciones de onda están conectadas por un «hilo» o cordón umbilical invisible. Cualquier cosa que le suceda a uno tiene automáticamente un efecto sobre el otro. (Esto significa que, en cierto sentido, lo que nos ocurre a nosotros afecta de manera instantánea a cosas en lejanos confines del universo, puesto que nuestras funciones de onda probablemente estuvieron entrelazadas en el comienzo del tiempo. En cierto sentido hay una madeja de entrelazamiento que conecta confines lejanos del universo, incluyéndonos a nosotros). Einstein lo llamaba burlonamente «fantasmal acción a distancia» y este fenómeno le permitía «demostrar» que la teoría cuántica estaba equivocada, en su opinión, puesto que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz.

Originalmente, Einstein diseñó el experimento EPR para que fuera el toque de difuntos por la teoría cuántica. Pero en la década de 1980, Alain Aspect y sus colegas en Francia realizaron este experimento con dos detectores separados 13 metros, midiendo los espines de fotones emitidos por átomos de calcio, y los resultados concordaban exactamente con la teoría cuántica. Al parecer, Dios sí juega a los dados con el universo.

¿Realmente viajaba la información más rápida que la luz? ¿Estaba Einstein equivocado al decir que la velocidad de la luz era la velocidad límite en el universo? No en realidad. La información sí viajaba más rápida que la velocidad de la luz, pero la información era aleatoria, y por ello inútil. No se puede enviar un mensaje real, o un código Morse, mediante el experimento EPR, incluso si la información está viajando más rápida que la luz.

Saber que un electrón en el otro extremo del universo tiene espín abajo es información inútil. No se pueden enviar las cotizaciones de la Bolsa de hoy por este método. Por ejemplo, supongamos que un amigo lleva siempre un calcetín rojo y otro verde, en orden aleatorio. Supongamos que miramos un pie y este lleva un calcetín rojo. Entonces sabemos, a una velocidad mayor que la de la luz, que el otro calcetín es verde. La información ha viajado realmente más rápida que la luz, pero esta información es inútil. Ninguna señal que contenga información no aleatoria puede enviarse mediante este método.

Durante años el experimento EPR fue utilizado como ejemplo de la resonante victoria de la teoría cuántica sobre sus críticos, pero era una victoria hueca sin consecuencias prácticas. Hasta ahora.

Todo cambió en 1993, cuando científicos de IBM, dirigidos por Charles Bennett, demostraron que era físicamente posible teletransportar objetos, al menos en el nivel atómico, utilizando el experimento EPR (Más exactamente, demostraron que se podía teletransportar toda la información contenida dentro de una partícula). Desde entonces los físicos han sido capaces de teletransportar fotones e incluso átomos de cesio enteros. Quizá en unas pocas décadas los científicos sean capaces de teletransportar la primera molécula de ADN y el primer virus. El teletransporte cuántico explota algunas de las propiedades más extrañas del experimento EPR.

En estos experimentos de teletransporte, los físicos empiezan con dos átomos, A y C. Supongamos que queremos teletransportar información del átomo A al átomo C. Entonces introducimos un tercer átomo, B, que inicialmente se entrelaza con C, de modo que B y C son coherentes. Luego ponemos en contacto el átomo A con el átomo B. A explora B, de modo que el contenido de información del átomo A es transferido al átomo B. A y B se entrelazan en el proceso. Pero puesto que B y C estaban originalmente entrelazados, la información dentro de A ha sido transferida al átomo C. En conclusión, el átomo A ha sido ahora teletransportado al átomo C, es decir, el contenido de información de A es ahora idéntico al de C.

Nótese que la información dentro de A ha sido destruida (de modo que no tenemos dos copias de A después del teletransporte). Esto significa que cualquier ser hipotéticamente teletransportado moriría en el proceso. Pero el contenido de información de su cuerpo aparecería en otro lugar. Nótese también que el átomo A no se ha movido hasta la posición del átomo C. Por el contrario, es la información dentro de A (por ejemplo, su espín y polarización) la que se ha transferido a C. (Esto no significa que el átomo A se disuelva y luego reaparezca de repente en otra localización. Significa que el contenido de información del átomo A ha sido transferido a otro átomo, C).

Desde el anuncio original de este gran avance ha habido una fuerte competencia entre grupos diferentes por estar en la vanguardia. La primera demostración histórica de teletransporte cuántico en la que se teletransportaron fotones de luz ultravioleta se llevó a cabo en 1997 en la Universidad de Innsbruck. Al año siguiente, investigadores del Caltech hicieron un experimento aún más preciso con teletransporte de fotones.

En 2004 físicos de la Universidad de Viena fueron capaces de teletransportar partículas de luz a una distancia de 600 metros por debajo del río Danubio utilizando un cable de fibra óptica, lo que establecía un nuevo récord. (El propio cable tenía una longitud de 800 metros y estaba tendido a lo largo de la red de alcantarillado por debajo del río Danubio. El emisor estaba en un lado del río y el receptor en el otro).

Una crítica a estos experimentos es que fueron realizados con fotones de luz. Esto apenas es materia de ciencia ficción. Por eso fue importante que, en 2004, el teletransporte cuántico se demostrara no con fotones de luz, sino con átomos reales, lo que nos lleva un paso más cerca de un aparato de teletransporte más realista. Físicos del Instituto Nacional de Normas y Tecnología en Washington DC consiguieron entrelazar tres átomos de berilio y transfirieron las propiedades de un átomo a otro. Este logro fue tan importante que fue portada de la revista Nature. Otro grupo también consiguió teletransportar átomos de calcio.

En 2006 se logró otro avance espectacular, que incluía por primera vez a un objeto macroscópico. Físicos del Instituto Niels Bohr de Copenhague y el Instituto Max Planck en Alemania consiguieron entrelazar un haz luminoso con un gas de átomos de cesio, una hazaña que involucraba a billones y billones de átomos. Luego codificaron la información contenida dentro de pulsos de láser y fueron capaces de teletransportar esta información a los átomos de cesio a una distancia de casi medio metro. «Por primera vez —dijo Eugene Polzik, uno de los investigadores, «se ha conseguido teletransporte cuántico entre luz (la portadora de la información) y átomos.

Los avances en teletransporte se suceden a un ritmo cada vez más rápido. En 2007 se produjo otro avance importante. Los físicos propusieron un método de teletransporte que no requiere entrelazamiento. Recordemos que el entrelazamiento es el aspecto más difícil del teletransporte cuántico. Resolver este problema podría abrir nuevas perspectivas en teletransporte.

«Estamos hablando de un haz de unas 5.000 partículas que desaparecen de un lugar y reaparecen en algún otro lugar», dice el físico Aston Bradley del Centro de Excelencia para Óptica Atómica Cuántica del Consejo de Investigación Australiano en Brisbane que participó en el desarrollo del nuevo método de teletransporte. «Creemos que nuestro esquema está más cercano en espíritu al concepto de ficción original», afirma. En su enfoque, él y sus colegas toman un haz de átomos de rubidio, convierten toda su información en un haz de luz, envían este haz de luz a través de un cable de fibra óptica y luego reconstruyen el haz de átomos original en una localización lejana. Si su afirmación es válida, este método eliminaría el obstáculo número uno para el teletransporte y abriría modos completamente nuevos para teletransportar objetos cada vez más grandes.

Para distinguir este nuevo método del teletransporte cuántico, el doctor Bradley ha llamado a su método «teletransporte clásico». (Esto es algo confuso, porque su método también depende mucho de la teoría cuántica, aunque no del entrelazamiento).

La clave para este nuevo tipo de teletransporte es un nuevo estado de la materia llamado un «condensado de Bose-Einstein», o BEC, que es una de las sustancias más frías de todo el universo. En la naturaleza la temperatura más fría se encuentra en el espacio exterior; es de 3 K sobre el 0 absoluto. (Esto se debe al calor residual del big bang, que aún llena el universo). Pero un BEC está a una millonésima de milmillonésima de grado sobre el 0 absoluto, una temperatura que solo puede encontrarse en el laboratorio.

Cuando ciertas formas de materia se enfrían hasta casi el cero absoluto, sus átomos se ponen en el estado de energía más baja, de modo que todos sus átomos vibran al unísono y se hacen coherentes. Las funciones de onda de todos los átomos se solapan, de manera que, en cierto sentido, un BEC es como un «superátomo» gigante en donde todos los átomos individuales vibran al unísono. Este extraño estado de la materia fue predicho por Einstein y Satyendranath Bose en 1925, pero pasarían otros setenta años hasta que en 1995 se creara finalmente un BEC en el laboratorio del MIT y en la Universidad de Colorado.

Así es como funciona el dispositivo de teletransporte de Bradley y sus colegas. Primero empiezan con un conjunto de átomos de rubidio superfríos en un estado BEC. Luego aplican al BEC un haz de materia (hecho asimismo de átomos de rubidio). Estos átomos del haz también quieren colocarse en el estado de energía más bajo, de modo que ceden su exceso de energía en forma de un pulso de luz.

Este haz de luz es entonces enviado por un cable de fibra óptica. Lo notable es que el haz de luz contiene toda la información cuántica necesaria para describir el haz de materia original (por ejemplo, la posición y velocidad de todos sus átomos). Luego el haz de luz incide en otro BEC, que transforma el haz de luz en el haz de materia original.

El nuevo método de teletransporte es enormemente prometedor, puesto que no implica el entrelazamiento de átomos. Pero este método también tiene sus problemas. Depende de forma crucial de las propiedades de los BEC, que son difíciles de crear en el laboratorio. Además, las propiedades de los BEC son muy peculiares, porque se comportan como si fueran un átomo gigantesco. En
teoría, efectos cuánticos extraños, que solo vemos en el nivel atómico, pueden verse a simple vista con un BEC. En otro tiempo se pensó que esto era imposible.

La aplicación práctica inmediata de los BEC es crear «láseres atómicos». Los láseres, por supuesto, están basados en haces coherentes de fotones que vibran al unísono. Pero un BEC es una colección de átomos que vibran al unísono, de modo que es posible crear haces de átomos de un BEC que sean todos coherentes. En otras palabras, un BEC puede crear la contrapartida del láser, el láser atómico o láser de materia, que está hecho de átomos de BEC.

Las aplicaciones comerciales de los láseres son enormes, y las aplicaciones comerciales de los láseres atómicos podrían ser igualmente profundas. Pero puesto que los BEC existen solo a temperaturas muy próximas al cero absoluto, el progreso en este campo será lento, aunque constante. Dados los progresos que hemos hecho, ¿cuándo podríamos ser capaces de teletransportarnos? Los físicos confían en teletransportar moléculas complejas en los años venideros. Después de eso quizá en algunas décadas pueda teletransportarse una molécula de ADN o incluso un virus. Nada hay en principio que impida teletransportar a una persona real, como en las películas de ciencia ficción, pero los problemas técnicos a los que se enfrenta tal hazaña son verdaderamente enormes. Se necesitan algunos de los mejores laboratorios de física del mundo solo para crear coherencia entre minúsculos fotones de luz y átomos individuales. Crear coherencia cuántica que impliquea objetos verdaderamente macroscópicos, tales como una persona, está fuera de cuestión durante un largo tiempo. De hecho, probablemente pasarán muchos siglos, o un tiempo aún mayor, antes de que puedan teletransportarse —si es siquiera posible— objetos cotidianos.

En última instancia, el destino del teletransporte cuántico está íntimamente relacionado con el destino del desarrollo de ordenadores cuánticos. Los dos utilizan la misma física cuántica y la misma tecnología, de modo que hay una intensa fertilización cruzada entre estos dos campos. Los ordenadores cuánticos podrían reemplazar algún día al familiar ordenador digital que tenemos en nuestra mesa de trabajo. De hecho, el futuro de la economía mundial podría depender en el futuro de tales ordenadores, y por ello hay un enorme interés comercial en estas tecnologías. Algún día Silicon Valley podría convertirse en un cinturón de herrumbre, superado por las nuevas tecnologías que surgen de la computación cuántica.

Los ordenadores normales computan en un sistema binario de 0 y 1, llamados bits. Pero los ordenadores cuánticos son mucho más potentes. Pueden computar con qubits, que pueden tomar valores entre 0 y 1.

Pensemos en un átomo colocado en un campo magnético. Gira como una peonza, de modo que su eje de giro puede apuntar arriba o abajo. El sentido común nos dice que el espín del átomo puede ser arriba o abajo, pero no ambos al mismo tiempo. Pero en el extraño mundo de lo cuántico, el átomo se describe como la suma de dos estados, la suma de un átomo con espín arriba y un átomo con espín abajo. En el extraño mundo cuántico todo objeto está descrito por la suma de todos los estados posibles. (Si objetos grandes, como los gatos, se describen de este modo cuántico, significa que hay que sumar la función de onda de un gato vivo a la de un gato muerto, de modo que el gato no está ni vivo ni muerto, como explicaré en otra entrada).

Imaginemos ahora una cadena de átomos alineados en un campo magnético, con el espín alineado en una dirección. Si un haz láser incide en esta cadena de átomos, el haz rebotará en la misma y cambiará el eje de giro de algunos de los átomos. Midiendo la diferencia entre el haz láser incidente y el saliente, hemos conseguido un complicado «cálculo» cuántico, que implica el cambio de muchos espines.

Los ordenadores cuánticos están aún en su infancia. El récord mundial para una computación cuántica es 3 x 5 = 15, que difícilmente es un cálculo que suplante a los superordenadores de hoy. El teletransporte cuántico y los ordenadores cuánticos comparten la misma debilidad fatal: deben mantener la coherencia de grandes conjuntos de átomos. Si pudiera resolverse este problema, sería un avance trascendental en ambos campos.

La CIA y otras organizaciones secretas están muy interesadas en los ordenadores cuánticos. Muchos de los códigos secretos en todo el mundo dependen de una «clave», que es un número entero muy grande, y de la capacidad de factorizarlo en números primos. Si la clave es el producto de dos números, cada uno de ellos de 100 dígitos, entonces un ordenador digital podría necesitar más de 100 años para encontrar estos dos factores partiendo de cero. Un código semejante es hoy día esencialmente irrompible.

Pero en 1994 Peter Shor, de los Laboratorios Bell demostró que factorizar números grandes podría ser un juego de niños para un ordenador cuántico. Este descubrimiento despertó enseguida el interés de la comunidad de los servicios de inteligencia. En teoría, un ordenador cuántico podría descifrar todos los códigos del mundo y desbaratar por completo la seguridad de los sistemas de ordenadores de hoy. El primer país que sea capaz de construir un sistema semejante podría descifrar los secretos más profundos de otras naciones y organizaciones.

Algunos científicos han especulado con que en el futuro la economía mundial podría depender de los ordenadores cuánticos. Se espera que los ordenadores digitales basados en el silicio alcancen su límite físico en términos de potencia de ordenador en algún momento después de 2020. Podría ser necesaria una nueva y más poderosa familia de ordenadores para que la tecnología pueda seguir avanzando.

Otros están explorando la posibilidad de reproducir el poder del cerebro humano mediante ordenadores cuánticos. Por consiguiente, hay mucho en juego. Si pudiéramos resolver el problema de la coherencia, no solo seríamos capaces de resolver el reto del teletransporte, sino que también tendríamos la capacidad de hacer avances en todo tipo de tecnologías de maneras nunca vistas mediante ordenadores cuánticos.

Como he señalado antes, es extraordinariamente difícil mantener la coherencia en el laboratorio. La más minúscula vibración podría afectar a la coherencia de dos átomos y destruir la computación. Hoy día, es muy difícil mantener coherencia en más de solo un puñado de átomos. Los átomos que originalmente están en fase empiezan a sufrir incoherencia en cuestión de un nanosegundo, o como mucho, un segundo. El teletransporte debe hacerse muy rápidamente, antes de que los átomos empiecen a sufrir incoherencia, lo que pone otra restricción a la computación cuántica y al teletransporte.

A pesar de tales desafíos, David Deutsch, de la Universidad de Oxford, cree que estos problemas pueden superarse: «Con suerte, y con ayuda de recientes avances teóricos [un ordenador cuántico], puede llegar en menos de cincuenta años [...] Sería un modo enteramente nuevo de dominar la naturaleza».

Para construir un ordenador cuántico útil necesitaríamos tener de cientos a millones de átomos vibrando al unísono, un logro que supera nuestras capacidades actuales. Así pues, el teletransporte existe en el nivel atómico, y eventualmente podremos teletransportar moléculas complejas e incluso
orgánicas dentro de algunas décadas. Pero el teletransporte de un objeto macroscópico tendrá que esperar varias décadas o siglos, o más, si realmente es posible. Y teletransportar un ser humano, aunque lo permitan las leyes de la
física, puede necesitar muchos siglos más, suponiendo que la tecnología lo permita.