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Una clave de las comunicaciones del futuro.



El cálculo, la encriptación y la telecomunicación cuánticas deberían cobrar importancia de ahora en adelante.

Recientemente, un equipo de la Universidad de Ginebra consiguió producir más fácilmente un intercambio de entrelazamiento cuántico entre pares de fotones.

El fenómeno del entrelazamiento cuántico ha devenido hoy en día en uno de los emblemas de las extraordinarias características de la mecánica cuántica. Descubierto teóricamente en los años 30 por Einstein y Schrödinger, es la base de la paradoja EPR y del "gato de Schrödinger".

Dos pares de partículas, como por ejemplo fotones que provienen de la desintegración de una partícula de materia o son emitidos simultáneamente en el momento de una transición atómica particular, como es el caso del célebre experimento de Aspect en 1982, pueden encontrarse en una situación física extraña: el entrelazamiento.

Forman entonces un solo sistema físico no separable y toda medida del estado de una de las partículas influye instantáneamente sobre el estado de su compañera, cualquiera que sea la distancia que las separa.

Las implicaciones son profundas porque todo pasa como si fundamentalmente, la realidad fuera de hecho un todo inseparable más allá de las categorías intuitivas del espacio y del tiempo.

No se trata más que de consideraciones teóricas "esotéricas". La maestría del entrelazamiento de las partículas al nivel cuántico podría pronto darnos la clave de ordenadores mucho más potentes que de los que disponemos actualmente. El mismo fenómeno del entrelazamiento está en la base de la teletransportación cuántica que también podría transformar la tecnología de las telecomunicaciones en un futuro próximo.


Pares de partículas intricadas cuya entrelazamiento puede ser cambiado.

Para entender bien lo que hacen los miembros del GAP, siglas de Group of Applied Physics (Grupo de Física Aplicada) de la Universidad de Ginebra, hay que saber que produce en general los pares de fotones entrelazados, llamémoslos A y B, a partir de fuentes de luz que emiten paquetes de tales pares de fotones.

Si consideramos dos pares, (A1, A2) y (B1, B2), es entonces posible entrelazar A1 y B1 efectuando una medida particular y simultánea sobre estos últimos. Producimos entonces uno de los cuatro estados de Bell posibles para dos partículas arbitrarias que pueden existir cada una en dos estados cuánticos, por ejemplo polarización derecha e izquierda para un fotón y un espín alto y bajo para un electrón.

Los colores representan una partícula y la flecha uno de los dos estados posibles. Los corchetes son una representación de un vector de estado en mecánica cuántica en el formalismo de Dirac© Gianni Blatter

Automáticamente, la formación de un estado de Bell para la medida de A1 y B1, en el cual los fotones están entrelazados, provoca el entrelazamiento a su vez de A2 y B2. Así, realizamos un intercambio de entrelazamiento entre los pares iniciales de fotones que eran independientes al principio del experimento. Hablamos de Bell-State Measurement o BSM (Medición del estado de Bell), para cualificar este proceso.


El problema de las fuentes discretas de pares

Nicolás Gisin se hizo célebre hace algunos años con sus pioneros experimentos sobre la teletransportación cuántica y con su grupo llegó a reproducir el fenómeno de intercambio precedente no con fuentes discretas, pero si con fuentes continuas de pares de fotones entrelazados.

Es importante porque, hasta ahora, había que sincronizar con mucha precisión la emisión de los paquetes de pares de fotones y esto no era fácil. La dificultad radicaba en la realización práctica de un sistema de comunicación cuántica a escala global. Esta dificultad ha sido evitada utilizando una fuente continua y trasladando la exigencia de la sincronización, no a la emisión, si no a la detección.

Un experimento de óptica cuántica© Universidad de Ginebra-GAP

Para saber más:

La paradoja de Einstein Podolsky Rosen, denominada "Paradoja EPR", consiste en un experimento mental propuesto por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen en 1935.

A Einstein (y a muchos otros científicos), la idea del entrelazamiento cuántico le resultaba extremadamente perturbadora. Esta particular característica de la mecánica cuántica permite preparar estados de dos o más partículas en los cuales es imposible obtener información útil sobre el estado total del sistema haciendo sólo mediciones sobre una de las partículas. Por otro lado, en un estado entrelazado, manipulando una de las partículas, se puede modificar el estado total. Es decir, operando sobre una de las partículas se puede modificar el estado de la otra a distancia de manera instantánea. Esto habla de una correlación entre las dos partículas que no tiene contrapartida en el mundo de nuestras experiencias cotidianas.

El experimento planteado por EPR consiste en dos partículas que interactuaron en el pasado y que quedan en un estado entrelazado. Dos observadores reciben cada una de las partículas. Si un observador mide el momento de una de ellas, sabe cuál es el momento de la otra. Si mide la posición, gracias al entrelazamiento cuántico y al principio de incertidumbre, puede saber la posición de la otra partícula de forma instantánea, lo que contradice el sentido común.

La paradoja EPR está en contradicción con la teoría de la relatividad, ya que se transmite información de forma instantánea entre las dos partículas. De acuerdo a EPR, esta teoría predice un fenómeno (el de la acción a distancia instantánea) pero no permite hacer predicciones deterministas sobre él; por lo tanto, la mecánica cuántica es una teoría incompleta.

Esta paradoja (aunque, en realidad, es más una crítica que una paradoja), critica dos conceptos cruciales: la no localidad de la mecánica cuántica (es decir, la posibilidad de acción a distancia) y el problema de la medición. En la Física clásica, medir un sistema, es poner de manifiesto propiedades que se encontraban presentes en el mismo, es decir, que es una operación determinista. En Mecánica cuántica, constituye un error asumir esto último. El sistema va a cambiar de forma incontrolable durante el proceso de medición, y solamente podemos calcular las probabilidades de obtener un resultado u otro.

Hasta el año 1964, este debate perteneció al dominio de la filosofía de la ciencia. En ese momento, John Bell propuso una forma matemática para poder verificar la paradoja EPR. Bell logró deducir unas desigualdades asumiendo que el proceso de medición en Mecánica cuántica obedece leyes deterministas, y asumiendo también localidad, es decir, teniendo en cuenta las críticas de EPR. Si Einstein tenía razón, las desigualdades de Bell son ciertas y la teoría cuántica es incompleta. Si la teoría cuántica es completa, estas desigualdades serán violadas.

Desde 1976 en adelante, se han llevado a cabo numerosos experimentos y absolutamente todos ellos han arrojado como resultado una violación de las desigualdades de Bell. Esto implica un triunfo para la teoría cuántica, que hasta ahora ha demostrado un grado altísimo de precisión en la descripción del mundo microscópico, incluso a pesar de sus consabidas predicciones reñidas con el sentido común y la experiencia cotidiana.

En la actualidad, se han realizado numerosos experimentos basados en esta paradoja y popularizados en ocasiones bajo el nombre de teletransporte cuántico. Este nombre llama a engaño, ya que el efecto producido no es un teletransporte de partículas al estilo de la ciencia ficción sino la transmisión de información del estado cuántico entre partículas entrelazadas (entangled particles). La comprensión de esta paradoja ha permitido profundizar en la interpretación de algunos de los aspectos menos intuitivos de la mecánica cuántica. Esta área continúa en desarrollo con la planificación y ejecución de nuevos experimentos.


El experimento del gato de Schrödinger o paradoja de Schrödinger es un experimento imaginario, diseñado por Erwin Schrödinger para exponer uno de los aspectos más extraños, a priori, de la mecánica cuántica. Supongamos un sistema formado por una caja cerrada y opaca que contiene un gato, una botella de gas venenoso, una partícula radiactiva con un 50% de probabilidades de desintegrarse y un dispositivo tal que, si la partícula se desintegra, se rompe la botella y el gato muere. Al depender todo el sistema del estado final de un único átomo que actúa según la mecánica cuántica, tanto la partícula como el gato forman parte de un sistema sometido a las leyes de la mecánica cuántica.

Siguiendo la interpretación de Copenhague, mientras no abramos la caja, el gato está en un estado tal que está vivo y muerto a la vez. En el momento en que abramos la caja, la sola acción de observar al gato modifica su estado, haciendo que pase a estar solamente vivo, o solamente muerto.

Esto se debe a una propiedad física llamada superposición cuántica.

La paradoja ha sido objeto de tanta controversia (y de discusión no sólo científica, sino hasta filosófica) que Stephen Hawking llegó a afirmar que "cada vez que escucho hablar de ese gato, empiezo a sacar mi pistola".


Crédito de las imágenes: Futura-Sciences. Gianni Blatter. Universidad de Ginebra-GAP



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