Te­le­trans­por­ta­ción cuán­ti­ca

Con la te­le­trans­por­ta­ción cuán­ti­ca no es la ma­te­ria la que rea­li­za el via­je, sino la in­for­ma­ción que des­cri­be a esa ma­te­ria. Más allá de lo que po­da­mos ha­cer con ella, lo im­por­tan­te es lo que po­da­mos apren­der de la es­truc­tu­ra subató­mi­ca del mun­do.

Muy Interesante (Chile) - - SUMARIO - Por Án­ge­la Po­sa­da-Swaf­ford

No co­mo en las pe­lí­cu­las, pero ir de un la­do a otro en se­gun­dos sí es po­si­ble, al me­nos pa­ra las par­tí­cu­las, los da­tos y la in­for­ma­ción.

No ha­ce mu­cho, por ahí de co­mien­zos de 1990, los cien­tí­fi­cos es­pe­cu­la­ban que usan­do la fí­si­ca cuán­ti­ca la te­le­por­ta­ción o te­le­trans­por­ta­ción –el tras­la­do de par­tí­cu­las de un si­tio a otro de ma­ne­ra ins­tan­tá­nea– tal vez po­dría ser po­si­ble. Des­de en­ton­ces el pro­ce­so se ha con­ver­ti­do en una ope­ra­ción ca­si de ru­ti­na en los la­bo­ra­to­rios de óp­ti­ca cuán­ti­ca.

De he­cho, en los úl­ti­mos 18 años va­rios de ellos en to­do el mun­do han lo­gra­do te­le­trans­por­tar fo­to­nes (par­tí­cu­las de luz), io­nes y áto­mos de cal­cio y be­ri­lio. Aho­ra las co­sas se es­tán ca­len­tan­do. A fi­na­les de 2013 y co­mien­zos de 2014 Na­tu­re, MIT Tech­no­logy Re­view y Phy­si­cal Re­view pu­bli­ca­ron im­por­tan­tes re­por­tes so­bre avan­ces en te­le­trans­por­ta­ción cuán­ti­ca.

Por ejem­plo, in­ves­ti­ga­do­res del ETH Zu­rich te­le­trans­por­ta­ron 10.000 bits cuán­ti­cos por se­gun­do den­tro de un cir­cui­to en es­ta­do só­li­do de su­per­con­duc­to­res cu­ya con­fi­gu­ra­ción era si­mi­lar a la de un chip con­ven­cio­nal de compu­tador.

A su vez, dos gru­pos en Eu­ro­pa y Ja­pón mos­tra­ron que es po­si­ble te­le­trans­por­tar fo­to­nes en mi­cro­on­das y en in­fra­rro­jo con una ta­sa de éxi­to de has­ta 40%, com­pa­ra­da con el es­ca­so éxi­to del 1% ha­ce unos años (los fo­to­nes son par­ti­cu­lar­men­te va­lio­sos co­mo por­ta­do­res de in­for­ma­ción cuán­ti­ca, pues se les pue­de usar pa­ra trans­mi­tir se­ña­les a la ve­lo­ci­dad de la luz).

Un ter­cer ade­lan­to sig­ni­fi­ca­ti­vo con­sis­tió en un nuevo pro­to­co­lo in­ven­ta­do por Ma­sahi­ro Hot­ta, de la Uni­ver­si­dad de Toho­ku, Ja­pón, que per­mi­ti­ría te­le­trans­por­tar ener­gía a tra­vés de ca­si cual­quier dis­tan­cia. El año pa­sa­do, dos equi­pos lle­va­ron a ca­bo la pri­me­ra te­le­trans­por­ta­ción cuán­ti­ca fue­ra de un la­bo­ra­to­rio. Y en ju­lio de es­te año, cien­tí­fi­cos chi­nos lle­va­ron el pro­ce­so un po­co más le­jos: lo­gra­ron te­le­trans­por­tar un fo­tón des­de la Tierra has­ta un sa­té­li­te en ór­bi­ta a más de 1.400 ki­ló­me­tros de dis­tan­cia. El sa­té­li­te se lla­ma Mi­cius, y es un fo­to-re­ci­bi­dor muy sen­si­ble, ca­paz de de­tec­tar los es­ta­dos cuán­ti­cos de fo­to­nes dis­pa­ra­dos des­de tierra. Mi­cius fue lan­za­do pa­ra per­mi­tir a los in­ves­ti­ga­do­res en­sa­yar va­rias ideas y en­ten­der los obs­tácu­los tec­no­ló­gi­cos pa­ra lo­grar ha­za­ñas cuán­ti­cas ta­les co­mo el en­tre­la­za­mien­to, la crip­to­gra­fía y la te­le­trans­por­ta­ción.

La proeza en te­le­trans­por­ta­ción fue anun­cia­da co­mo uno de los pri­me­ros re­sul­ta­dos de es­tos ex­pe­ri­men­tos. El gru­po no so­lo te­le­trans­por­tó el pri­mer ob­je­to des­de tierra fir­me a una ór­bi­ta te­rres­tre, sino que tam­bién creó la pri­me­ra red sa­te­li­tal-te­rres­tre cuán­ti­ca.

“Pre­vios ex­pe­ri­men­tos en te­le­trans­por­ta­ción en­tre lo­ca­li­za­cio­nes dis­tan­tes se li­mi­ta­ron a una dis­tan­cia de 100 ki­ló­me­tros de­bi­do a la pér­di­da de fo­to­nes en las fi­bras óp­ti­cas”, di­jo el equi­po de cien­tí­fi­cos chi­nos al MIT Tech­ni­cal Re­view, di­ri­gi­do por Ji-Gang Ren en la Uni­ver­si­dad de Cien­cia y Tec­no­lo­gía de Shang­hái.

Compu­tación cuán­ti­ca

Pero ¿qué sig­ni­fi­can es­tos pro­gre­sos pa­ra la hu­ma­ni­dad?

Por el mo­men­to nin­guno de ellos nos ofre­ce­rá la for­ma de apa­re­cer má­gi­ca­men­te en casa des­pués del tra­ba­jo sin te­ner que to­mar el au­to o el me­tro. Pero sí nos es­tán abrien­do una ven­ta­na ha­cia la co­di­cia­da compu­tación cuán­ti­ca, una for­ma más rá­pi­da, den­sa y se­gu­ra de pro­ce­sar in­for­ma­ción; ha­cia las transac­cio­nes ban­ca­rias a prue­ba de hac­kers y a la In­ter­net cuán­ti­ca, pro­yec­tan­do el po­der de las par­tí­cu­las subató­mi­cas pa­ra en­viar fo­to­nes a un sa­té­li­te

La compu­tación cuán­ti­ca re­sol­ve­rá en se­gun­dos ope­ra­cio­nes con mi­les de va­ria­bles.

y crear una red mun­dial su­per­se­gu­ra de trans­mi­sión de da­tos. “Con la compu­tación cuán­ti­ca es po­si­ble re­sol­ver si­mul­tá­nea­men­te pro­ble­mas que tie­nen mu­chas va­ria­bles, y ha­cer en se­gun­dos lo que les to­ma­ría un tiem­po in­fi­ni­to a los compu­tado­res or­di­na­rios, que tie­nen que rea­li­zar li­te­ral­men­te mi­les de mi­llo­nes de ope­ra­cio­nes pa­ra ob­te­ner el mis­mo re­sul­ta­do”, se­ña­la el pro­fe­sor David Aws­cha­lom, de la Uni­ver­si­dad de Chica­go. “Un compu­tador cuán­ti­co de 500 qbits po­dría rea­li­zar cálcu­los 2 ele­va­do a la 500 en un so­lo pa­so”.

Ha­cer reali­dad es­te fan­tás­ti­co po­der de cómpu­to exi­ge re­cu­rrir a la te­le­trans­por­ta­ción cuán­ti­ca, por me­dio de la cual no es la ma­te­ria la que rea­li­za fí­si­ca­men­te el via­je en­tre un lu­gar y otro sino so­la­men­te la in­for­ma­ción que des­cri­be a esa ma­te­ria. Y aquí vie­ne lo cu­rio­so: es­ta in­for­ma­ción se trans­mi­te de un ob­je­to A a uno B. Al fi­nal del ca­mino, el ob­je­to B asu­me la iden­ti­dad del ori­gi­nal, el cual es des­trui­do en el pro­ce­so. Piense el lec­tor en al­go pa­re­ci­do a en­viar un fax, cu­yo ori­gi­nal que­da des­trui­do en el mo­men­to en que se recibe la co­pia. Pero mien­tras la cien­cia fic­ción tien­de a en­fo­car­se en lo que le su­ce­de al cuerpo que es te­le­trans­por­ta­do (ca­be re­cor­dar a la se­rie Star Trek o La mos­ca), los fí­si­cos es­tán más in­tere­sa­dos en la in­for­ma­ción que des­cri­be a ese cuerpo.

La ex­tra­ña su­per­po­si­ción

En­ten­der la te­le­trans­por­ta­ción y la compu­tación cuán­ti­ca re­quie­re pri­me­ro aco­mo­dar el ce­re­bro al ex­tra­ño mun­do subató­mi­co.

Co­mo si su­frie­ran una per­ma­nen­te cri­sis de iden­ti­dad, los ob­je­tos cuán­ti­cos pue­den exis­tir en una su­per­po­si­ción de mu­chos es­ta­dos. Una par­tí­cu­la pue­de es­tar si­mul­tá­nea­men­te aquí y allá, por ejem­plo. O ro­tar en con­tra y en el sen­ti­do del re­loj al mis­mo tiem­po. Y lo que es exas­pe­ran­te es que el so­lo he­cho de me­dir sus

Si se co­di­fi­ca in­for­ma­ción en par­tí­cu­las que son te­le­trans­por­ta­das se ob­tie­ne crip­to­gra­fía fuer­te.

pro­pie­da­des (o “su es­ta­do”) cau­sa que la par­tí­cu­la cam­bie. Por ejem­plo, si uno tra­ta de me­dir la po­si­ción de un so­lo áto­mo, es­ta­rá al­te­ran­do la ve­lo­ci­dad de la di­cho­sa par­tí­cu­la. Si se des­cu­bre exac­ta­men­te qué tan rá­pi­do se es­tá mo­vien­do, en­ton­ces no se sa­brá dón­de es­tá. El pro­ble­ma es que si se quie­re te­le­trans­por­tar una par­tí­cu­la, es­ta es jus­ta­men­te la in­for­ma­ción que se ne­ce­si­ta me­dir y trans­mi­tir. ¿Qué ha­cer en­ton­ces? Los fí­si­cos han descubierto que la cla­ve es no sa­ber de­ma­sia­do: siempre y cuan­do las me­di­das que se ha­gan no re­ve­len la po­si­ción o la ve­lo­ci­dad de la par­tí­cu­la, ha­brá una po­si­bi­li­dad de rea­li­zar la te­le­trans­por­ta­ción.

Pa­ra in­ten­tar lo­grar­lo, los in­ves­ti­ga­do­res han crea­do má­qui­nas enor­mes, co­mo ace­le­ra­do­res de par­tí­cu­las, que re­mue­ven cual­quier in­fluen­cia hu­ma­na fí­si­ca del pro­ce­so de es­tu­diar a las ex­tra­ñas par­tí­cu­las del mun­do cuán­ti­co. Es más o me­nos co­mo ob­ser­var el com­por­ta­mien­to de po­llue­los de cón­dor des­de una ca­ja a os­cu­ras pa­ra que las aves sal­va­jes no vean nun­ca un ros­tro hu­mano y ha­gan una im­pron­ta con él, pen­san­do que el hu­mano es su ma­dre.

Es­te di­le­ma se su­ma a la ex­tra­ña pro­pie­dad del mun­do cuán­ti­co co­no­ci­da co­mo “en­tre­la­za­mien­to”, un fe­nó­meno físico que per­mi­te ge­ne­rar pa­res de par­tí­cu­las uni­das a tra­vés del es­pa­cio, a pe­sar de no te­ner una co­ne­xión fí­si­ca en­tre ellas.

Es­tas par­tí­cu­las en­tre­la­za­das in­ter­ac­túan si­guien­do las mis­mas asom­bro­sas re­glas de la cuán­ti­ca: con so­lo me­dir las pro­pie­da­des de una, se es­tá afec­tan­do a la otra, no im­por­ta qué tan se­pa­ra­das es­tén. Es de­cir, los cam­bios efec­tua­dos en una le su­ce­den au­to­má­ti­ca­men­te a la otra, co­mo si fue­ran her­ma­nas ge­me­las subató­mi­cas. En es­te ca­so, no obs­tan­te, los in­ves­ti­ga­do­res le sa­can ven­ta­ja al fe­nó­meno porque, al me­dir el es­ta­do de una de ellas, pue­den apren­der cuál es el es­ta­do de su pa­re­ja. “La per­so­na en el pun­to B pue­de así re­crear el fo­tón del pun­to A, usan­do úni­ca­men­te la in­for­ma­ción acer­ca de los cam­bios ob­ser­va­dos”, es­cri­be en Na­tu­re el gu­rú de la te­le­trans­por­ta­ción An­ton Zei­lin­ger, de la Uni­ver­si­dad de Vie­na. “Co­mo una car­ta que so­lo pue­de abrir el des­ti­na­ta­rio, la in­for­ma­ción de A so­lo pue­de ser re­cons­trui­da por B. Eso es lo que sig­ni­fi­ca te­le­trans­por­tar una par­tí­cu­la. Es la ra­zón por la cual la cuán­ti­ca es un sis­te­ma de compu­tación de al­ta se­gu­ri­dad: si uno co­di­fi­ca in­for­ma­ción en las par­tí­cu­las que son te­le­trans­por­ta­das lo que se ob­tie­ne es una crip­to­gra­fía su­ma­men­te fuer­te. No es po­si­ble de­co­di­fi­car­la sino te­nien­do la otra par­te de la pa­re­ja en­tre­la­za­da”.

Pero si lo que se pre­ten­de es te­le­trans­por­tar a un ser hu­mano, los cien­tí­fi­cos ten­drían que en­fren­tar un par de pro­ble­mas: ha­bría que me­dir y guar­dar la po­si­ción, di­rec­ción de mo­vi­mien­to y ener­gía de ca­da par­tí­cu­la del cuerpo de esa per­so­na. Pero eso re­que­ri­ría una in­men­sa ca­pa­ci­dad de al­ma­ce­na­mien­to de da­ta. Un cálcu­lo con­ser­va­dor, se­gún Ben Bu­chler en Phy­si­cal Re­view, afir­ma que se­rían ne­ce­sa­rios 10 a la 22 gi­ga­bi­tes (1 se­gui­do por 22 ce­ros) de es­pa­cio de dis­co du­ro. “Eso es una to­rre de dis­cos de 20 años luz de al­ta –Pró­xi­ma Cen­tau­ri, la es­tre­lla más cer­ca­na a la Tierra, es­tá a unos cua­tro años luz–”.

Peor aún, ni si­quie­ra exis­te un mé­to­do pa­ra rea­li­zar es­tas me­di­das, ni la for­ma de re­cons­truir a una per­so­na ba­sa­da en

esa da­ta. Fi­nal­men­te, men­cio­na Zei­lin­ger, pues­to que la te­le­trans­por­ta­ción cuán­ti­ca exi­ge que pa­ra te­le­trans­por­tar una par­tí­cu­la hay que des­truir­la en el pro­ce­so, “ten­dría­mos que des­truir al ser hu­mano ori­gi­nal. Y en­ton­ces, ¿quién que­rría me­ter­se en esa má­qui­na?”.

Ca­rre­ra cuán­ti­ca en el es­pa­cio

Re­gre­san­do al te­rreno de un sim­ple fo­tón, en 2012 Zei­lin­ger y otros equi­pos in­ter­na­cio­na­les des­tro­za­ron el ré­cord de dis­tan­cia de te­le­trans­por­te cuán­ti­co, crean­do un ra­yo lá­ser de fo­to­nes en­tre­la­za­dos y en­vian­do un fo­tón de ca­da pa­re­ja a un pun­to A y uno B, separados por una dis­tan­cia de ca­si 144 ki­ló­me­tros en­tre las is­las ca­na­rias de La Pal­ma y Te­ne­ri­fe.

Y aho­ra Ji-Gang Ren y su gru­po en la Uni­ver­si­dad de Cien­cia y Tec­no­lo­gía de Shang­hái a su vez hi­cie­ron tri­zas el de Zei­lin­ger, te­le­trans­por­tan­do un fo­tón des­de la su­per­fi­cie te­rres­tre al es­pa­cio.

“Los re­tos sur­gen cuan­do las par­tí­cu­las en­tre­la­za­das se trans­mi­ten a sus ex­tre­mos res­pec­ti­vos, co­mo si fue­ran las pun­tas de una lí­nea te­le­fó­ni­ca lar­guí­si­ma”, ex­pli­ca Zei­lin­ger. Se­me­jan­te via­je es­tá lleno de obs­tácu­los ta­les co­mo nu­bes, llu­via, are­na y has­ta el vien­to, que dis­per­san las in­ter­ac­cio­nes y crean to­da cla­se de in­te­rrup­cio­nes, cual­quie­ra de las cua­les pue­de des­truir las de­li­ca­das co­rre­la­cio­nes cuán­ti­cas re­que­ri­das pa­ra que fun­cio­ne la te­le­trans­por­ta­ción.

“Por ejem­plo, ac­tual­men­te los fo­to­nes en­tre­la­za­dos se trans­por­tan a tra­vés de ca­bles de fi­bra óp­ti­ca. Pero las fi­bras ab­sor­ben luz, lo cual evi­ta que los fo­to­nes via­jen más allá de unos cien­tos de ki­ló­me­tros. Los am­pli­fi­ca­do­res es­tán­dar no fun­cio­nan porque el pro­ce­so de am­pli­fi­ca­ción des­tru­ye la in­for­ma­ción cuán­ti­ca. Por eso es ne­ce­sa­rio un sa­té­li­te”.

El lo­gro de los in­ves­ti­ga­do­res chi­nos reavi­va una se­rie de pre­gun­tas fas­ci­nan­tes que siempre han exis­ti­do so­bre la cuán­ti­ca: ¿có­mo ha­cen exac­ta­men­te las dos par­tí­cu­las en­tre­la­za­das pa­ra sa­ber el re­sul­ta­do de las me­di­das he­chas en su com­pa­ñe­ra en la dis­tan­cia? ¿Se co­mu­ni­can ellas a tra­vés de al­gún ca­nal de in­for­ma­ción aún des­co­no­ci­do pa­ra la cien­cia? ¿Qué cau­sa que la par­tí­cu­la ori­gi­nal se des­tru­ya cuan­do la mi­den? ¿Ten­drá al­go que ver con la gra­ve­dad, una fuer­za que cree­mos co­no­cer pero que aún po­dría po­ner nues­tro mun­do en des­or­den? “La te­le­trans­por­ta­ción cuán­ti­ca es un fe­nó­meno ver­da­de­ro”, ase­gu­ra Zei­lin­ger. “Pero la ver­da­de­ra ma­ra­vi­lla no es lo que po­de­mos ha­cer con ese fe­nó­meno en tér­mi­nos prác­ti­cos, sino lo que nos re­ve­la­rá en cuan­to a la es­truc­tu­ra cuán­ti­ca del mun­do”.

PRE­SEN­TA­CIÓN. La ter­ce­ra Con­fe­ren­cia Mun­dial de In­ter­net, ce­le­bra­da en no­viem­bre de 2016 en la ciu­dad de Jia­xing, Chi­na, abor­dó te­mas im­por­tan­tes co­mo la tec­no­lo­gía pa­ra co­mu­ni­ca­ción cuán­ti­ca.

AL­TU­RAS. El sa­té­li­te chino fue pues­to en ór­bi­ta en 2016 pa­ra rea­li­zar un ex­pe­ri­men­to cru­cial en ma­te­ria de crip­to­gra­fía cuán­ti­ca.

CIEN­TÍ­FI­COS. (Iz­quier­da) Ma­sahi­ro Hot­ta, de la Uni­ver­si­dad de Toho­ku, Ja­pón, in­ves­ti­ga so­bre la po­si­bi­li­dad de la te­le­trans­por­ta­ción de ener­gía. (De­re­cha) El físico David Aws­cha­lom, de la Uni­ver­si­dad de Chica­go, du­ran­te una con­fe­ren­cia ma­gis­tral.

IN­VES­TI­GA­CIÓN REAL. (Aba­jo) El lla­ma­do ‘gu­rú’ de la te­le­trans­por­ta­ción, An­ton Zei­lin­ger, de la Uni­ver­si­dad de Vie­na. (Arri­ba) Vis­ta de su ins­ta­la­ción ar­tís­ti­ca-tec­no­ló­gi­ca Quan­ta To­day, 2012, la cual con­sis­te en el mon­ta­je y ex­hi­bi­ción de una par­te de sus apa­ra­tos de la­bo­ra­to­rio.

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