¿Qué carajos es la teletransportación cuántica?

Artículo publicado originalmente por VICE Estados Unidos.

Hipotéticamente, si una persona pudiera teletransportarse de un lugar a otro, de alguna manera su materia física desaparecería de una ubicación y reaparecería instantáneamente en otro lado, incluso si el destino está extremadamente lejos. Sin incluir las habilidades de teletransportación de los personajes en Star Trek o Dr Who, nadie ha sido testigo de que este fenómeno haya ocurrido con humanos reales.

En física cuántica, la teletransportación no solo es posible, sino que se ha logrado, y los científicos ahora están dando pasos para llevar la teletransportación a las masas. Pero a diferencia de la teletransportación física, la versión cuántica no implica ningún cambio de ubicación en el espacio. En cambio, la información se teletransporta misteriosa e instantáneamente de una partícula cuántica o sistema cuántico a otro.

Teletransportar información a través de grandes distancias podría ser la próxima revolución en comunicación y conectividad, con implicaciones para la infraestructura de telecomunicaciones, nuevas técnicas en computación cuántica, Internet de próxima generación y criptografía. Pero cuando se trata de sistemas cuánticos impredecibles, la historia nunca es tan simple.

Esta teletransportación es el resultado de un fenómeno cuántico llamado "entrelazamiento". Cuando dos (o más) partículas cuánticas se crean o interactúan de una manera específica, pueden terminar dependiendo una de otra, o "entrelazarse", incluso cuando están separadas por largas distancias.

En cierto modo, las partículas entrelazadas se comportan como si fueran conscientes de cómo se comporta la otra partícula. Las partículas cuánticas, en cualquier punto, se encuentran en un estado de probabilidades, donde las propiedades como la posición, el momento y el giro de la partícula no se determinan con precisión hasta que haya alguna medición. Para las partículas entrelazadas, el estado cuántico de cada una depende del estado cuántico de la otra; si una partícula se mide y cambia de estado, por ejemplo, el estado de la otra partícula cambiará en consecuencia.

Esto parece bastante normal, hasta que las partículas se separan. Aún así, un cambio en el estado de una partícula induce un cambio en la otra, sin importar qué tan lejos estén las partículas entre sí. Para Albert Einstein, esto implicaba que la información podía enviarse de una partícula a otra más rápido que la velocidad de la luz, lo que violaría su propia regla de la relatividad especial que dice que nada con la masa puede viajar más rápido que la velocidad de la luz porque requeriría energía infinita para hacerlo. Se refirió al entrelazamiento como "acción a distancia", y propuso que, en lugar de partículas entrelazadas que dependían entre sí, había algunas propiedades de cada partícula que estaban "ocultas" y contenían la información que se suponía que se transmitía instantáneamente.

Los experimentos en partículas cuánticas entrelazadas han mostrado resultados que hacen que la explicación de Einstein sea mucho menos probable que la explicación más simple: las partículas entrelazadas son realmente las "otras mitades" de cada una, formando un sistema cuántico interdependiente sin importar dónde se encuentren.

Las partículas cuánticas pueden entrelazarse de forma natural, por ejemplo, si una partícula se desintegra en dos partículas menos masivas o menos energéticas, o se puede crear un entrelazamiento a propósito, por ejemplo, obligando a los fotones a mezclarse bajo condiciones específicas.

En contraste, la teletransportación cuántica utilizando partículas entrelazadas debe configurarse de una manera particular. El enfoque involucra técnicas de la teoría de la información cuántica y la computación cuántica, con versiones cuánticas de características informáticas tradicionales como "bits" y "operaciones lógicas".

En el caso más simple, hay tres estados cuánticos involucrados en la teletransportación, generalmente descritos como "cúbits" —el equivalente cuántico de bits de computadora que codifican información— o denominados partículas cuánticas. Dos de los tres cúbits están en un estado entrelazado, y el tercero está en un estado cuántico independiente que contiene la información a teletransportarse. Los cúbits entrelazados están separados, uno en el "extremo receptor" y el otro, junto con el cúbit independiente, en el "extremo emisor".

El remitente realiza una medición conjunta tanto del cúbit entrelazado como del cúbit independiente, de una manera que no mide directamente el estado específico en el que se encuentra el cúbit entrelazado. De hecho, otra peculiaridad de la física cuántica es que en realidad no es posible observar el estado de un solo cúbit, razón por la cual el remitente necesita otro cúbit para medir junto con el cúbit entrelazado.

La medición conjunta de los dos cúbits tiene dos propósitos: cambia el estado del cúbit entrelazado en el extremo receptor para que se encuentre en uno de los cuatro estados posibles, y le da al remitente dos valores binarios (1 o 0) que son efectivamente instrucciones para el receptor. El remitente ahora tiene que llevar esos dos valores al receptor utilizando métodos de comunicación normales y no cuánticos, como enviar un mensaje a través de Internet. El receptor sigue las instrucciones: para cada valor, un "1" le dice al receptor que realice una medición específica en el cúbit receptor, y un "0" le dice que no realice esa medición. Como resultado de esas mediciones (o ninguna medición en absoluto si ambos valores son "0"), el cúbit receptor está en el estado en el que estaba originalmente el cúbit emisor (no entrelazado).

Las partículas no se han movido en el espacio, pero la información representada por el cúbit independiente se ha teletransportado al receptor.

Daniel Llewellyn, investigador cuántico de la Universidad de Bristol, Reino Unido, dijo que este es el mayor error sobre la teletransportación cuántica.

"La teletransportación cuántica no se trata de la transferencia de materia física entre sistemas, se trata de la transferencia remota de estados cuánticos entre sistemas", dijo.

El envío instantáneo de información sería una gran mejora en los canales de comunicación no cuánticos actuales, pero el uso de la teletransportación para la comunicación en realidad no elimina por completo los métodos tradicionales. Para que un estado cuántico sea teletransportado, un emisor aún tiene que transmitir dos bits de información no cuánticos: las instrucciones para el receptor.

Pero este elemento es el que hace que la teletransportación cuántica sea un método ideal para transmitir información secreta, con aplicaciones de criptografía y seguridad.

En el ejemplo anterior, el remitente realmente no conoce la información (estado cuántico) que está teletransportando. A diferencia de la mayoría de los métodos de cifrado hasta la fecha, es imposible conocer la información en el punto de origen, y es imposible calcular la información solo a partir de las instrucciones enviadas al receptor. Las instrucciones solo desbloquean la información cuando se aplican a la partícula receptora entrelazada.

Ya sea que el remitente pueda o no saber la información que está teletransportando, el valor radica en el hecho de que las instrucciones pueden transmitirse públicamente, y la información teletransportada seguirá siendo segura. En la práctica, el emisor ni siquiera necesita saber quién es el receptor o dónde está; mientras el emisor realice la medición y la teletransportación publique los valores resultantes, el receptor, y solo el receptor, podrá llevar su partícula entrelazada al estado teletransportado.

Llewellyn dijo que, si bien ya hay intentos de soluciones comerciales de criptografía que utilizan teletransportación cuántica, el enfoque solo será económicamente factible cuando los estados de información se puedan teletransportar utilizando "sistemas a escala de chip", es decir, lo suficientemente pequeños como para ser realizados por dispositivos de consumo en lugar de en laboratorios de investigación y esto era un gran desafío de ingeniería, hasta hace muy poco.

Llewellyn, con un equipo de otros 18 investigadores de todo el mundo, publicó recientemente resultados innovadores para la teletransportación cuántica en la práctica.

Los fotones, la forma de luz de partículas cuánticas, a menudo se utilizan como base para los estados cuánticos que se teletransportan. Generar fotones idénticos y aislados del tipo correcto es bastante difícil, y crear fotones entrelazados en un chip, que se logró por primera vez en 2015, ya era un avance significativo. Pero este enfoque solo generó dos fotones simultáneamente (creando solo un par entrelazado en el chip). A este ritmo, la teletransportación no aumentaría para aplicaciones comerciales.

La innovación clave en la investigación de Llewellyn es que los fotones generados en diferentes chips se entrelazaron con éxito, lo que evita los límites de generar un par a la vez en un solo chip. Además, el equipo construyó un "convertidor" en cada chip que podría cambiar entre leer o almacenar información de una propiedad de fotones entrelazados a otra. De esta manera, el número de pares entrelazados aumenta, ya que el mismo fotón podría entrelazarse con respecto a su propiedad de ubicación con un fotón, y entrelazarse con respecto a su polarización con un fotón diferente.

Este enfoque permitió una serie de resultados clave, incluida la capacidad de programar y controlar diferentes operaciones en fotones entrelazados, y la capacidad de enviar información cuántica entre dos dispositivos. La novedad, dijo Llewellyn, es demostrar todas estas características juntas.

"La teletransportación cuántica utiliza algunas de las rarezas más peculiares de la física cuántica y la información cuántica", dijo. "Se ha convertido en una piedra angular para posibles aplicaciones complejas de la física cuántica, por lo que es crucial que se pueda demostrar de manera confiable con alta fidelidad [a medida de precisión] en una plataforma sensata".

Akira Furusawa, profesora de física cuántica en la Universidad de Tokio que no está relacionada con la investigación de Llewellyn, lo expresó en términos aún más fuertes. La creación de computadoras cuánticas a gran escala que podemos controlar a pesar de las incertidumbres inherentes a los fenómenos cuánticos, denominadas computadoras "tolerantes a fallos", depende de la teletransportación, dice.

"La metodología de teletransportación cuántica es la única forma para la realización de computadoras cuánticas universales tolerantes a fallos", dijo.