El teletransporte y la teoría cuántica

 El teletransporte, o la capacidad de transportar un objeto o una persona de forma instántanea, parece una idea sacada de una historia de ciencia ficción. Y es que la llegada del teletransporte a la ficción ya tuvo lugar con el relato de Edward Page Mitchell “El hombre sin cuerpo”, publicado en 1877. En él, se nos cuenta la historia de un científico que ha descubierto un método con el que es capaz de teletransportar a un gato descomponiéndolo en átomos y transmitiéndolos a través de un cable telegráfico. Lamentablemente, cuando nuestro protagonista intenta teletransportarse a sí mismo, se acaba la batería de la máquina y solo consigue teletransportar su cabeza.

Desde entonces, el teletransporte se ha convertido en una constante en todo tipo de historias, llegando a ser, incluso, un recurso recurrente. Pero, ¿qué tiene que decir la física al respecto? ¿Existe algún tipo de fenómeno en la naturaleza que podamos categorizar de teletransporte? Hablemos entonces, del teletransporte cuántico.

Evolución y cambios de paradigma en la física

Durante la evolución de la física, nuestro entendimiento de la naturaleza ha sufrido, a menudo, giros inesperados. Hechos sorprendentes rodean toda la historia de la ciencia, hechos que cambiaron para siempre el curso de su desarrollo. Los cambios de paradigma, en efecto, han constituido, constituyen y constituirán una constante en el crecimiento de la ciencia, una ciencia que evoluciona desde un laberinto de hechos y teorías para dar a luz a nuevas ideas y conceptos. Muy a menudo, una teoría aparentemente perfecta resultó, más adelante, inadecuada ante nuevos problemas inexplicables. Y es que cuanto más leemos del libro de la naturaleza, nuevas incógnitas aparecen y el desarrollo de una nueva ciencia fundamentada en su predecesora se hace necesaria. Y esta idea es precisamente la que vamos a abordar a continuación.

Desde el punto de vista de la física newtoniana, la cual impero durante más de 200 años, el teletransporte es una idea completamente imposible. Desde las leyes de Newton no es posible deducir que una partícula desaparezca y reaparezca en otro lugar de repente, simplemente, no tiene sentido físico. En la mecánica clásica, los movimientos están bien definidos, no se trata, por tanto, de una física donde haya cabida a la probabilidad. Es decir, la física de Newton es determinista.

No obstante, desde la teoría cuántica, toda esta concepción da un vuelco conceptual, a menudo, poco intuitivo. Y es que poco tiene que ver la física de Newton con la física cuántica reinada por el principio de incertidumbre de Heisenberg. Más adelante, nos pararemos a entender la esencialidad de la física cuántica.

Este cambio de paradigma tiene su origen hacia finales del s.XIX cuando un científico alemán daría con una clave que revolucionaría para siempre el rumbo de la física. Era Max Planck, el padre de la teoría cuántica. La gran aportación de Max Planck comenzó con su estudio en el problema de la radiación del cuerpo negro. En esta época, habían surgido grandes dificultades para lograr dar una explicación a cómo la intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro dependía de la frecuencia de la radiación y de la temperatura del propio cuerpo. Tiempo más tarde, Planck daría con la solución proponiendo que la energía no se transmite de forma continua, sino en “paquetes” o cuantos de energía. Esta hipótesis, de la cual incluso el propio Planck desconfiaba, fue recibida con escepticismo por gran parte de la comunidad científica, sin embargo, el postulado de Planck acabaría siendo uno de los más fundamentales y reconocidos en la física ulterior.

No obstante, frente a esta desconfianza generalizada, hubo un gran físico, por entonces desconocido, que sí tomó seriamente la propuesta de Planck y trabajo en ella para dar, de nuevo, con un nuevo concepto esclarecedor dentro de la física. Este científico era Albert Einstein, quien, en 1905, consiguió mostrar que las ondas luminosas, en ocasiones, podían comportarse como cuantos de energía llamados fotones descritos con la interpretación de Planck. Einstein acababa de dar con la solución para el problema del efecto fotoeléctrico, cuestión que había estado dando fuertes dolores de cabeza a los físicos de la época.

Como vemos, Einstein nos había mostrado como las ondas luminosas pueden tener propiedades de tipo partícula, pero ¿es acaso lo contrario también cierto? Sería Louis de Broglie, un físico francés, quien por primera vez señalaría que lo contrario también era cierto, es decir, que partículas como los electrones también podían presentar propiedades de tipo onda. Esta deducción, además, le meritaría el Nobel de física.

Valeeee, recapitulemos, como hemos comentado las ondas pueden presentar comportamientos de tipo partícula, tal y como nos demostró Einstein, y, a su vez, lo contrario también es cierto, es decir, las partículas pueden presentar comportamientos de tipo onda. Ahora bien, si esto es así, si los electrones se describen como ondas ¿Cuál es su función de onda?

A esta pregunta se enfrentó el físico vienés Erwin Schrödinger, quien daría un salto conceptual estableciendo su famosa ecuación de ondas, la cual lleva su nombre. (Leer: El gato de Schrödinger).

Desde Newton y la invención del cálculo infinitesimal, los físicos habían conseguido describir variedad de fenómenos físicos en forma de ecuaciones diferenciales. Ya lo hizo Maxwell basándose en los campos de fuerza de Faraday. De hecho, las ondas ya se describían también con ecuaciones diferenciales. En este sentido, Schrödinger tomo la pregunta como un reto para encontrar la ecuación diferencial de las ondas electrónicas.

De este modo, cuando Schrödinger resolvía su ecuación para el átomo de hidrógeno se dio cuenta de algo sorprendente. Schrödinger había encontrado los niveles de energía exactos del hidrógeno que ya habían sido medidos experimentalmente con anterioridad. Esto traía consecuencias contundentes, y es que la vieja imagen del átomo con electrones purulando a su alrededor era incorrecta. En vez de eso, las órbitas debían dar paso a ondas alrededor del núcleo.

No obstante, aún quedaba una pregunta por responder. Si esto era cierto, si los electrones se comportaban como ondas cuya ecuación, además, podíamos conocer, conceptualmente ¿qué es lo que vibra?

Esta pregunta fue respondida por Max Born, quien diría que estas eran ondas de probabilidad de encontrar a un electrón en un lugar u en otro. Es decir, la probabilidad de encontrar un electrón, que es una partícula, en un punto concreto, viene dada por la ecuación de onda de Schrödinger.

Nótese ahora que con esta evolución hemos visto el nacimiento de una nueva física, una física donde la probabilidad, el azar y la indeterminación se introducen como piezas fundamentales de una nueva teoría: la teoría cuántica. Antes hemos mencionado el principio de incertidumbre, veamos entonces de qué se trata esto y qué consecuencias tiene en nuestro entendimiento de la realidad.

Entendiendo la teoría cuántica y el principio de incertidumbre de Heisenberg

Viendo el desarrollo anterior de una teoría cuántica donde la probabilidad y el azar se adentran en el corazón de la física, es fácil hacerse una idea de una teoría cuántica que nos dice que las cosas suceden porque sí. Sin embargo, esto, por supuesto, no es una respuesta y no es lo que nos dice la física cuántica. Lo que la física cuántica nos dice es la imposibilidad de predecir el resultado de un experimento con total exactitud, y la razón más fundamental viene dada por el principio de incertidumbre de Heisenberg. 

Desde el principio de incertidumbre de Heisenberg,  se nos introduce el concepto de que no se pueden conocer al mismo tiempo la velocidad y la posición de una partícula, ni se puede conocer tampoco su energía en un intervalo de tiempo dado. Esto tiene un significado crucial: nunca podemos conocer simultáneamente y con total exactitud todos los parámetros iniciales de un experimento porque unos excluyen a otros.

De esta manera, la física cuántica no determina un libre albedrío en las partículas fundamentales, sino que define la probabilidad de los fenómenos y nos demuestra que a escala cuántica nos es imposible predecir con determinación absoluta el resultado de un experimento.

Habiendo entendido esto, podemos abordar ahora como la física cuántica permite fenómenos que desde la física newtoniana considerábamos imposibles, como el teletransporte cuántico. Os doy la bienvenida a un lugar donde existen probabilidades finitas para los sucesos más extraños.

El teletransporte cuántico

Frente al exitoso avance de la física cuántica, Einstein, a quien no le gustaba mucho la idea de una física basada en la probabilidad, escribía: “Cuanto más éxito tiene la teoría cuántica, más absurda parece”. Y es que, como vengo diciendo, nuestro sentido común suele verse contra las cuerdas cuando analizamos las consecuencias más profundas de la teoría cuántica.

Primero de todo, para hablar del teletransporte cuántico es vital que entendamos, de forma intuitiva, el concepto de entrelazamiento cuántico.

 El entrelazamiento cuántico es la idea que afirma que dos partículas que son coherentes entre sí presentan algún tipo de conexión fundamental que las vincula.

En primer lugar, ¿qué significa que dos partículas sean coherentes o que vibren en coherencia? Bien, llamamos coherencia al estado de dos partículas cuando estas vibran inicialmente al unísono, es decir, cuando estas están en sincronización ondulatoria. Lo interesante de esto es que cuando dos partículas son coherentes, van a seguir estando, como hemos dicho, en sincronización ondulatoria pese a que la distancia que las separe sea enorme (estamos hablando de años luz). Es como un tipo de cordón umbilical que las une o como el hilo rojo del destino de la cultura oriental. La diferencia es que aquí no existen cordones umbilicales ni hilos rojos que establezcan una conexión profunda, sino una onda de Schrödinger que une a las partículas. De esta forma, si algo sucede a una de las partículas, esta información se transmite ipso facto a la otra partícula.

Entonces, si tuviésemos dos partículas entrelazadas cuánticamente que se encuentran a una distancia de años luz una con respecto a la otra y pudiésemos hacer mediciones en una de ellas, podríamos conocer inmediatamente el estado de la otra partícula. Si, por ejemplo, sabemos que el giro de nuestro sistema de dos partículas es nulo, es decir, si una de las partículas tiene espín arriba, la otra partícula tendrá espín abajo, y hacemos mediciones en una de ellas observando que tiene espín abajo, sabemos inmediatamente que el espín de la segunda partícula es arriba. Como aclaración, el espín es el giro de una partícula, aunque esto es más bien una explicación mecánica para entender mejor el concepto de espín, que es una propiedad intrínseca de las partículas. Este puede ser arriba o abajo en función de hacia donde este orientado su eje de giro. Y esto es lo que conocemos como entrelazamiento cuántico, un fenómeno que tendrá gran presencia en lo que continua con el teletransporte cuántico.

Como hemos visto, gracias al entrelazamiento cuántico la información puede ser transferida, aunque de manera aleatoria. No obstante, si aprovechamos las consecuencias más profundas de este concepto, tal vez podamos idear un sistema que nos permita teletransportar partículas a nivel atómico, es decir, llevar a cabo el teletransporte cuántico. Y en efecto, esto es posible. Veamos entonces en qué consiste el teletransporte cuántico.

Para ello imaginemos un sistema con dos átomos A y B. Nuestro objetivo es teletransportar la información del átomo A al átomo B. Para ello, vamos a introducir en el sistema un tercer átomo C que va a ser coherente con B, o de otra forma, C y B van a estar entrelazados. A continuación, hacemos que A interactúe con C de manera que la información de A se transfiera a C, y en el proceso, ambos átomos se entrelazan. Pero como inicialmente C y B ya estaban entrelazados cuánticamente, ahora, la información de A se ha transferido al átomo B de forma inmediata. Es decir, el átomo A se ha teletransportado al átomo B, puesto que sus informaciones son idénticas. Hemos llevado a cabo el teletransporte cuántico.

Ahora bien, esto no significa que A se haya desintegrado y haya reaparecido en otro lugar. A no se ha movido de su posición. Ha sido la información de A, como el espín en nuestro ejemplo anterior, la que se ha transferido a otro átomo. Además, es importante destacar que la información dentro del átomo A se destruye en el proceso, de esta manera, no estamos consiguiendo dos copias de A. De forma análoga, si por ejemplo teletransportáramos un gato con este proceso, el gato moriría, pero la información del gato se transferiría y aparecería en otro lugar. Por supuesto, que este último ejemplo no es real, pues el teletransporte cuántico ocurre con partículas a nivel cuántico. 

Este es el fundamento en el cual se basa el teletransporte cuántico, una de las mayores promesas para las telecomunicaciones del futuro. No obstante, existen métodos más optimizados para el teletransporte cuántico que incluso son capaces de prescindir de una de las grandes dificultades de este proceso: el entrelazamiento cuántico. Para ello, se hace uso del condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia que surge a temperaturas cercanas al cero absoluto, de redes de fibra óptica y láseres. Pero estas son cuestiones más técnicas.

Resumiendo lo visto acerca del teletransporte cuántico, hemos visto como a lo largo de la historia de la ciencia la concepción de lo posible ha ido evolucionando, una evolución que ha visto nacer a la física cuántica como una nueva teoría que introducía la probabilidad y la incertidumbre en el interior de la física. Un cambio de paradigma que nos permitiría entender nuevos fenómenos como el entrelazamiento cuántico. Además, gracias a estas propiedades y sus consecuencias, somos capaces de teletransportar la información de un átomo a otro, proceso que llamamos teletransporte cuántico.