¿Qué es y en qué consiste el entrelazamiento cuántico? Esta increíble propiedad de la física más pequeña inquietó a Einstein hasta el día de su muerte. Pero también es la base de la computación y el teletransporte cuántico.
En 1935 un molesto Albert Einstein, junto con sus colegas Podolsky y Rosen, presentaron la llamada "paradoja EPR", por sus iniciales. Esta quería servir de ejemplo para decir que la mecánica cuántica era una "teoría" incompleta y fallida. Que necesitaba de una profunda revisión. ¿Y por qué? Porque, según el propio Einstein, este conjunto de hipótesis violaba el universo tal y como lo conocemos. Por lo tanto, tenía que estar mal en algún punto. Sin embargo, lo que no sabía Einstein es que la paradoja presentada es en realidad una manifestación real de lo que ocurre en la naturaleza. Efectivamente, en los tiempos que corren hemos podido comprobar un fenómeno inquietante y extraordinario que permite que dos partículas separadas entre sí por una distancia monstruosa sean capaces de "comunicarse" sin que exista nada, ningún canal de transmisión, entre las dos. A este extraño fenómeno, que rompe por completo nuestra manera de entender el mundo, lo llamamos entrelazamiento cuántico.
La "acción espeluznante" de Einstein
En su intensos estudios sobre la materia, su naturaleza y el orden de las cosas, Albert Einstein dio con numerosos resultados. De ellos provienen, por ejemplo, la relatividad general y especial. Pero también estudió mucho sobre la naturaleza cuántica de las cosas (un hecho fundamental para entender sus hipótesis). La mecánica cuántica es aquella que estudia lo más pequeño del universo, mucho más que los microbios y bacterias. De hecho, en ocasiones, mucho más incluso que los propios átomos. Y durante este estudio descubrió una propiedad que no le gustó en absoluto. Según sus fórmulas y papeles, las partículas tienen la capacidad (o incluso la manían, diríamos) de "conectarse" de alguna manera a otras partículas en otra parte del universo. Einstein llamó al entrelazamiento cuántico "spooky action at a distance" o acción espeluznante a distanciaCada partícula tiene una información única y propia que puede expresarse como una función matemática.
Por el principio que explica que todo efecto tiene su causa, la información no puede viajar más rápido que el mensajero. Sin embargo, las fórmulas de Einstein explicaban que el mensaje podría estar en su destino incluso antes de que el mensajero hubiese salido. Según sus estudios, una partícula aquí se entrelazaba con otra partícula allá, sin que nada las conectase. Y al cambiar el estado de una partícula, automáticamente y sin que nada mediase entre ellas, cambiaba el estado de la otra. Esto es un hecho anti-natural que parece violar numerosas leyes. Por eso mismo, Albert Einstein llamó al entrelazamiento cuántico como la "acción espeluznante a cierta distancia" y fue propuesto en la paradoja EPR como una manera de demostrar que a la teoría todavía le quedaba mucho por pulir. Einstein, según cuentan, murió sin llegar a reconciliar la realidad cuántica, tan compleja y contraria al mundo que vemos todos los días con sus teorías. Quién sabe si hoy día no cambiaría de opinión.
Esto es entrelazamiento cuántico, baby
El mismo año en el que se presentaba la paradoja EPR, Erwing Scrhrödinger comenzó a usar el término entrelazamiento cuántico más como una curiosidad que otra cosa. Fue el tiempo el que demostró que el entrelazamiento cuántico es una propiedad que no tiene un equivalente en la mecánica clásica, esa que describe como se caen las cosas o lo fuerte que golpean. El entrelazamiento cuántico explica como un conjunto de partículas (que pueden ser solo 2) entrelazadas están unidas en su existencia de manera que aunque existan miles de años luz entre las mismas el cambio de estado de una de una de ellas afecta al resto de forma inmediata (y más rápido que la luz, por tanto). Para estudiarlo normalmente se habla de espín, o "giro" de las partículas subatómicas. Pero sin entrar tan al detalle, lo que podría ser demasiado complicado, el entrelazamiento cuántico ha sido comprobado numerosas veces desde el experimento de Bell, quién comprobó que los resultados obtenidos no eran al azar sino que se debían al maldito "efecto espeluznante" del que hablaba Einstein.
Osea, que tenemos un sistema en el cual dos partículas están irremediablemente ligadas entre sí, de manera que cuando cambiamos una, la otra cambia automáticamente esté donde esté y sin que haya ningún canal de información de por medio, más rápido que la luz. Eso suena genial, ¿verdad? Pero como hemos dicho antes, se supone que nada puede violar el principio de causalidad, que es la razón por la cual la información no puede ir más rápido que la luz. Y efectivamente, aquí es donde la mecánica cuántica se saca otro as de la manga. El entrelazamiento cuántico, efectivamente, conecta dos partículas, pero la información que puede transmitir, debido a las propiedades cuánticas de las partículas, es completamente aleatoria. Por tanto, no podemos usar dos partículas entrelazadas cuánticamente para transmitir información con sentido. ¿O sí?
Teleportación y computación cuántica
Por suerte, los físicos son criaturas bastante tenaces. Se empeñan en usar lo que descubren, sea lo que sea y a cualquier precio. Así que usando un sistema de entrelazamiento cuántico (como dos partículas entrelazadas) acoplado a canales clásicos de información, que se rigen por las leyes "más comunes" de la física, podemos tener un sistema que funcione. Eso sí, al usar canales clásicos de comunicación, estos no permiten que la información vaya más rápido que la luz. Y así no se violan las leyes fundamentales del universo y todos tan contentos.
Pero, todo esto, ¿para qué sirve? En primer lugar, el uso más llamativo sea, tal vez, el de la teleportación cuántica. Este sistema consiste en teleportar el estado de una partícula de un lugar a otro del espacio. Aunque teleporte o teletransporte puedan engañar, por ahora no implican la posibilidad de mover "magicamente" materia de un lado a otro. En lo que consiste es en transmitir un estado, la información de la que hablábamos, de una partícula a otra sin que exista un canal para transmitir esa información. Y para ello utilizamos el entrelazamiento cuántico. De esta manera se puede violar el llamado principio de clonación, que explica que la materia no puede copiar su estado de manera perfecta.
La computación cuántica aprovecha propiedades como esta y la del propio entrelazamiento cuántico para construir ordenadores con una capacidad de computación abismal y una velocidad "atómica" de procesado. Para ello usan estos estados entrelazados como si de puertas lógicas se tratasen. Al final, lo que tenemos es un sistema increíblemente eficiente de transmitir información. Pero claro, para llegar a este punto hemos de solucionar muchísimos problemas (por esa manía que tienen los sistemas cuánticos de transmitir información de forma aleatoria y sin sentido).
Una de las aplicaciones más interesantes e inmediatas es la de transmisión de información segura. Si un sistema está aislado del resto y conectado "magicamente" sin ningún tipo de canal ¿cómo vamos a poder robar la información transmitida?. A mi, y que me perdonen los físicos, me gusta imaginar que en el futuro conseguiremos aprovechar el teleporte cuántico para poner la masa equivalente de un objeto en un lado y en otro y podremos transmitir el estado cuántico de manera que ¡voilá! transportemos el objeto (aunque no su masa). Recientemente, además, se ha demostrado que el entrelazamiento cuántico no solo afecta a partículas sub-atómicas, sino que puede encontrarse este efecto en partículas macroscópicas. Cada día parece que desvelamos nuevas piezas de un puzzle muy, pero que muy, interesante. Este tema, en particular y a pesar de su dificultad, me fascina. Pero claro, después de ver lo de arriba, ¿a quién no?
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