Resumen: Alguna vez ridiculizado por Einstein como “una espeluznante acción a distancia”, el enredo cuántico podría guardar la promesa de un nuevo medio de propulsión espacial, y quizás incluso hacer posible el viaje interestelar.





Ensayo por Mark Waldron

El extraño universo de Einstein será más familiar a los escritores de ciencia-ficción si la espeluznante acción a distancia puede ser enjaezada para un paseo. Crédito: Einstein archives

En 2001, los investigadores del Centro de Óptica Cuántica de la Universidad de Aarhus en Dinamarca aplicaron exitosamente un fenómeno físico conocido como enredo cuántico a dos especímenes de cesio que medían billones de átomos cada uno, transfiriendo el estado cuántico de un grupo al otro. Esa transferencia se denomina “teleportación cuántica”, aunque tiene muy poco que ver con la variedad de teleportación que encontramos en Star Trek . El éxito en Dinamarca fue notable debido a la escala del experimento. Además de átomos enteros, también ha habido teleportaciones cuánticas múltiples de haces de luz láser con un exitoso experimento llevado a cabo por la Universidad Nacional Australiana en 2002.

En el presente, la aplicación principal de teleportación quántica sería el desarrollo de la computación cuántica, en la cual los portales lógicos de un procesador computacional están integrados en el nivel atómico y el estado lógico de uno de los bits del procesador sería denotado por el estado cuántico de un átomo individual (una representación así de lógica computacional puede ser aplicado también a la memoria del computador creando, en efecto, una RAM cuántica). Además, a partir de la habilidad de teleportar haces de luz láser, que son capaces de transportar información, se está desarrollando un campo de criptografía cuántica. Un haz láser teleportado que acarree información proporcionaría un medio ultraseguro y esencialmente infranqueable de codificar información delicada.

Quien escribe desearía proponer una tercera (o incluso una cuarta) aplicación de la teleportación cuántica, una aplicación con implicancias que tendrían por lo menos un alcance tan importante como las dos mencionadas anteriormente: propulsión. Debería ser posible aplicar la teleportación cuántica al problema de la propulsión en el espacio profundo; no solamente es posible tal aplicación sino que, si se implementara, revolucionaría el viaje espacial, quizás hasta hacer que viaje interestelar (tanto tripulado como no) fuera realmente posible por primera vez. Lo que resulta interesante es que la teleportación aplicada como un método de propulsión pueda ser realizada con la utilización de la tecnología actual.

Teleportación cuántica, paso a paso: Primero, se genera un estado enredado de los iones A y B, luego el estado que será teleportado (una superposición coherente de estados internos) se crea en el tercer ión, P. El tercer paso es una medición conjunta de P y A, y el resultado es enviado a la locación del ión B, donde es utilizado para transformar el estado del ión B (paso 4). El estado creado por P ha sido teleportado a B. Image and text Credit: H J Kimble and S J van Enk Nature

Brevemente, la idea es aplicar el enredo cuántico a la propulsión iónica. Un sistema de impulso iónico es una forma de propulsión cohete que utiliza una corriente de partículas cargadas, o iones, como chorro de salida. El impulso iónico proporciona típicamente una relación menor de empuje-peso que los tradicionales cohetes químicos, pero a causa de su muchísimo más lento consumo de combustible, pueden acelerar gradualmente una nave hasta velocidades que ningún cohete químico puede alcanzar. La propulsión iónica fue utilizada en la enormemente exitosa sonda Deep Space 1 de la NASA. en la forma de impulso solar-eléctrico, es decir un impulso iónico en el que unos paneles solares proporcionan la energía eléctrica que se utiliza para excitar el combustible que produce la corriente de iones que impulsan la nave. Es interesante saber que el cesio es uno de los materiales que han sido utilizados como combustible en las naves iónicas.

Mientras que los experimentos de enredo cuántico y de teleportación cuántica han estado hasta la fecha confinados a especímenes enredados de materiales que se encuentran dentro del mismo laboratorio, no existe un límite teórico para la distancia en la que puede operar el enredo cósmico. En otras palabras, una vez que dos grupos de átomos han sido enredados, ese enredo todavía sería efectivo si uno de los especímenes enredados se trasladara al otro lado de la Tierra, o del sistema solar.

Por lo tanto, si se tomaran dos especímenes de cesio (para poner un ejemplo; también funcionarían otros materiales) para ser enredados en la Tierra, y luego uno de los especímenes fuera llevado al espacio, la excitación de la muestra de cesio en tierra resultaría en que la muestra espacial de cesio se excitara y produjera iones como su contraparte terrestre. La corriente iónica resultante, producida sin el beneficio (o molestia, en este caso) de forma alguna de sistema interno de motor a bordo de la nave, podría impulsarla a través del espacio. Sería una especie de sistema de impulso sin motor, lo que yo llamo un impulso de teleportación. El motor real y, lo que es más importante, su fuente de energía (un reactor nuclear, un conjunto solar, u otra forma de generación de energía), permanecerían en la Tierra junto con la muestra enredada terrestre de combustible.

Los beneficios de un impulso de teleportación son más evidentes cuando se consideran las varias formas de propulsión nuclear-eléctrica que están de moda actualmente entre los investigadores de la NASA. Un impulso nuclear-eléctrico es una forma de impulso iónico que utiliza un reactor nuclear para producir la electricidad necesaria para generar su corriente de expulsión de iones. A causa de los mayores niveles de energía que puede proporcionar un reactor nuclear comparado con la energía solar, el impulso nuclear-eléctrico ha mejorado el frente de batalla de las opciones de diseño de impulso iónico de la NASA en los últimos años, siendo la pieza central de su Proyecto Prometeo, un esfuerzo de investigación de largo alcance en los sistemas de propulsión nuclear para las naves espaciales. Por ejemplo, el proyecto JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter = Orbitador de las Lunas Heladas de Júpiter) de la agencia espacial, un vástago del Proyecto Prometheus , será impulsado por un sistema nuclear-eléctrico.

Prototipo de la nave de impulso nuclear JIMO, con su forma recargada de aletas. “Con la energía disponible de sus reactores nucleares, ya sea de fisión o de fusión, se pueden alcanzar cómodamente velocidades del orden de los 100 kilómetros por segundo, lo que permitiría llegar a cualquier parte del sistema solar en un lapso de dos años, o quizás aún en menos tiempo. Pero si se es efectivamente serio, realmente convendría viajar a velocidades como la mitad de la velocidad de la luz, lo que significa decenas de miles de kilómetros por segundo. Por lo tanto, las cantidades de energía necesarias serían enormemente mayores, y ni la fisión ni la fusión nuclear tienen tanta energía”. -- Freeman Dyson Crédito por la imagen: NASA/ JPL

JIMO necesitará una sección barrera de 30 metros para separar la carga de instrumentos de la nave del reactor nuclear; grandes aletas radiadoras serán montadas en la sección del reactor para disipar el exceso de calor generado por el motor. Estos dos requisitos (separación física del motor con el resto de la nave y aletas radiadores para disipación calórica) son dos marcas distintivas de los diseños tradicionales de propulsión por energía nuclear. Desde el punto de vista de una agencia espacial financiada por el gobierno, también existen inconvenientes políticos en poner un reactor nuclear en el espacio. Con un impulso de teleportación, no hay necesidad de aletas de radiación ni de secciones separadoras en la nave; más aún, los asuntos políticos negativos que rodean a la propulsión espacial nuclear se desvanecen. Todos estos son, sin embargo, beneficios secundarios, a pesar de su importancia. El beneficio principal del impulso de teleportación es que elimina efectivamente todas las limitaciones sobre cuánta energía puede ser generada para propulsar a la espacionave.

La necesidad de una fuente de energía que sea a la vez de alta producción y compacta ha sido el azote de los diseños de propulsión nuclear en el pasado; es, por ejemplo, una barrera técnica mayor para lograr la realización del impulso VASIMR (VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket = Cohete de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable) de la NASA, en desarrollo en el Centro Espacial Johnson en Houston bajo la dirección del Dr. Franklin Chang-Díaz. Como la fuente de energía de un impulso de teleportación está en tierra, puede ser arbitrariamente grande. Un reactor nuclear muy grande (que ahora no sería necesario colocar en el espacio) puede proporcionar la energía para propulsar a una nave muy pequeña. Una nave tal gozaría de una relación empuje-peso muy alta, potencialmente mayor que la de los cohetes químicos, con beneficios obvios en términos de máxima velocidad obtenible cuando se la combine con la inherentemente alta eficiencia de combustible (alto impulso específico, en el lenguaje de la cohetería) del impulso de teleportación. Los nuevos niveles de empuje obtenibles con un impulso de teleportación podrían también permitir que la nave partiese directamente desde la superficie terrestre, sin la necesidad de cohetes químicos para ponerla en el espacio, algo que nunca antes ha sido posible con forma alguna de impulso iónico. Finalmente, en el pasado solamente dos formas de fuente de energía han sido propuestas para la propulsión iónica: una solar y uno u otra forma de energía nuclear.

Como la fuente de energía del impulso de teleportación permanece en tierra, cualquier método de generación de electricidad puede ser utilizado para darle energía al impulso, incluyendo a la energía hidroeléctrica (imaginemos a la Represa Hoover dándole energía al motor de una sonda de espacio profundo). También hay una economía de escala que se aplica a una fuente de energía en tierra, en el sentido de que la misma fuente puede ser utilizada para excitar múltiples especímenes de combustible enredados: por lo tanto la misma planta puede ser utilizada para acelerar múltiples espacionaves.

Tobera altamente eficiente de un motor iónico, impulsado por el escape de partículas cargadas. Crédito: JPL/SSE Roadmap

Hay otra aplicación para el enredo cuántico que, si bien probablemente requiera más inversión en investigación y diagnósticos que el impulso de teleportación, tendría beneficios aún mayores (de varios órdenes de magnitud) para la velocidad de la espacionave: aplicar el enredo cuántico para producir el primer impulso fotónico viable. Un sistema de impulso fotónico utiliza nada más que un haz de fotones (un haz de luz si los fotones caen en la frecuencia del espectro de luz visible) para propulsar una espacionave. El impulso fotónico es una posibilidad teórica de la que se ha hablado durante décadas pero que nunca ha sido práctica debido a los inmensos requisitos de energía que necesitaría tal impulso para generar el empuje suficiente como para propulsar a una espacionave.

Un ejemplo del más simple impulso fotónico imaginable ha sido mostrado en el pasado: si se encendiera una linterna en el espacio y se la dejara allí, su haz lumínico le proporcionaría una minúscula cantidad de empuje, pero estaría muy lejos de acelerarla a una velocidad significativa antes de que se consumiera su batería. Esencialmente, un impulso fotónico no requiere combustible, solamente energía. En otras palabras, un impulso fotónico tiene un impulso específico extremadamente alto pero una relación empuje-peso muy baja.

La gran ventaja de un impulso fotónico es que si los requisitos de energía fueran superados, podría eventualmente acelerar una nave espacial hasta velocidades muy altas, aún, teóricamente, cercanas a la velocidad de la luz. Sin embargo, tanto la fisión como la fusión nuclear quedan cortas en términos de generar la energía necesaria, al menos desde un reactor lo suficientemente pequeño como para ser plausiblemente transportada a bordo de una espacionave. Una reacción materia-antimateria del tamaño suficiente podría generar la energía requerida, pero la antimateria es demasiado cara como para producirla en el momento en que esto se escribe, y las tecnologías de contención y manipulación necesarias están todavía en las etapas primitivas de desarrollo. Así, un impulso fotónico con energía proporcionada por una reacción materia-antimateria no es, por ahora, una opción viable. Hay otra opción.

El Satélite Planck. “No importa hacia donde se mire en el cielo, el más distante, el más antiguo de los objetos visibles por cualquier clase de telescopio es una imagen de la última superficie de dispersión, el plasma que llenaba el universo cuando éste tenía solamente 400.000 años de edad. El fondo cósmico de microondas está polarizado (los fotones tienen orientaciones “preferidas” en diferentes lugares del espacio) y esa polarización contiene información sobre las ondas gravitatorias que resonaron por el universo desde la primera fracción de segundo que siguió al Big Bang. El satélite Planck o sus sucesores deberían ser capaces de extraer esa información”. -- Charles Seife Crédito: Agencia Espacial Europea

La aplicación de la teleportación cuántica a un impulso fotónico ( para producir lo que llamo el impulso telefotónico) eliminaría un gran obstáculo de ingeniería (la generación de energía) para producir un sistema viable de impulso fotónico. Recordemos que más arriba en este artículo dijimos que los haces de luz láser (las corrientes concentradas de fotones) han sido teleportadas exitosamente. Sin saberlo, los investigadores que lograron esta hazaña crearon un impulso telefotónico básico en el curso de sus experimentos. En el caso de un impulso telefotónico lo suficientemente poderoso como para propulsar una nave espacial, las plantas de energía eléctrica (nucleares o de otro tipo) generarían la energía para un haz de luz láser que sería luego teleportado a la nave.

Aunque aún una planta de energía nuclear especialmente dedicada podría no generar la energía suficiente como para crear un haz de luz láser lo suficientemente potente como para proporcionar la propulsión para una nave espacial, no hay razón por la cual una sola nave necesite que su energía sea proporcionada por un solo haz láser enredado; plantas múltiples de energía, quizás distribuidas ampliamente por toda la superficie de la Tierra, podrían generar múltiples haces láser que podrían entonces ser teleportados a “células” adyacentes en la popa de la nave, produciendo un conjunto de haces de luz láser de alta energía que podrían colectivamente propulsar la nave (potencialmente, hasta cerca de la velocidad de la luz). Incidentalmente, ya que la información enredada es en sí misma transportada (ya sea por láser o por ondas de radio) a la velocidad de la luz, y ya que aún el impulso telefotónico podría nunca, de acuerdo a la teoría de la relatividad, propulsar a una nave a la velocidad de la luz, una nave espacial propulsada por un impulso telefotónico jamás podría “superar” la requerida información enredada de sus láseres.

Una variación del concepto de impulso telefotónico implica el uso de láseres enredados, generados en la superficie terrestre, para crear un impulso de fusión láser. La idea detrás del impulso de fusión láser (del cual, al igual que del impulso fotónico, se ha hablado durante años pero nunca ha sido desarrollado) es que unos gránulos de hidrógeno congelado disparados como con una ametralladora desde la popa de una nave espacial sean golpeados individualmente con poderosos haces láser, calentando a cada uno de ellos hasta lograr una reacción de fusión; la serie resultante de estallidos energéticos empujarían a la nave hacia delante. Hay un obstáculo de ingeniería para crear láseres lo suficientemente poderosos como para lograr la fusión de los gránulos de hidrógeno; como sucede en el caso del impulso telefotónico, el teleportar los haces láser desde plantas de energía en tierra superaría este obstáculo. Si bien un impulso de fusión de láser enredado no aceleraría a una nave a las velocidades obtenibles por un impulso telefotónico, o aún de un impulso de teleportación, sospecho que sería realizable más rápidamente desde un punto de vista ingenieril que cualquiera de los otros conceptos de propulsión.

El primer paso, por supuesto, hacia la implementación de cualquiera de estos esquemas de impulso es probarlos en tierra. Como se estableció antes, la teoría del impulso telefotónico ha sido ya, en efecto, probada; necesita solamente aumentar su escala (aunque debería ser un enorme aumento) para poder convertirse en un método viable de propulsión. El enredo exitoso de láseres prueba también la solidez conceptual del impulso de fusión por láser enredado. El impulso de teleportación podría ser probado, en su concepto, con pocos recursos y costos. Hay disponibles comercialmente pequeños cohetes iónicos diseñados para uso como propulsores de maniobra en satélites y sondas espaciales. Un experimento para probar la validez teórica del impulso de teleportación necesitaría de uno de esos propulsores comerciales y el enredo de su combustible con otro espécimen del mismo elemento. Si, luego de activar el propulsor, el segundo espécimen generara una corriente iónica, la teoría quedaría probada. Un experimento de este tipo se encuentra perfectamente dentro de los recursos aún de pequeños laboratorios de física gubernamentales o universitarios.

Por lo tanto, la propulsión de naves espaciales es una tercera aplicación práctica para la teleportación cuántica, además de la computación cuántica y de la criptografía cuántica. Existe, sin embargo, una cuarta aplicación, una que merece su propio tratamiento en un artículo separado, pero que presentaré aquí brevemente a causa de su relevancia con los sistemas de propulsión delineados más arriba. La aplicación es la trasmisión de energía sin necesidad de cables. La NASA y el Departamento de Energía de los EE.UU. han, a lo largo de las tres últimas décadas, estudiado varios conceptos para generar energía eléctrica en el espacio y luego trasmitirla (a través, en la mayoría de los conceptos diseñados, de microondas) a la superficie terrestre para su uso público. A fines de la década de 1970 el DoE (Department of Energy = Departamento de Energía), bajo la administración Carter, estudió la posibilidad de hacer orbitar grandes satélites que recogerían energía solar y la trasmitirían a tierra. La idea era inviable debido al inmenso tamaño de los conjuntos solares necesarios (en el orden de las decenas de kilómetros cuadrados). También se presenta el problema de trasmitir energía a tierra de esta manera, ya que un haz de ese tipo tendría la tendencia a difractarse en la atmósfera terrestre.

Motor iónico SMART, el prototipo europeo que ahora inspecciona la Luna y prueba su eficiente impulso iónico. Crédito: ESA

Sin embargo, ayudados por los avances de la tecnología de células solares, podrían ser colocados en órbita alrededor del Sol unos conjuntos solares mucho más pequeños, quizás dentro de la órbita de Mercurio (naturalmente, los conjuntos necesitarían ser rediseñados para resistir el intenso bombardeo del calor y de la radiación; pero lo bueno sería que la proximidad con el Sol permitiría también una recolección mucho mayor de energía). El resultante haz de microondas generado con la energía recogida podría ser teleportado directamente a la superficie terrestre. Además de los beneficios inmediatos obvios de un sistema de generación de energía tan eficiente, estos satélites podrían también proporcionar el suministro de energía para un impulso telefotónico o de fusión láser enredada. Así, la teleportación cuántica podría proporcionar una “solución de punta a punta” para la propulsión de una nave hasta velocidades cercanas a la de la luz.

Einstein se sentía incómodo con la idea del enredo cuántico, refiriéndose a él como una “espeluznante acción a distancia”. Al aplicar la teleportación cuántica a la propulsión del espacio profundo, ese elemento de distancia podría ser medido en años luz.

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Mark Waldron es un desarrollador de programas de computación y un entusiasta del espacio. Vive en Huntsville, Alabama.