No hace falta decir que muchos términos y conceptos de la ciencia, y particularmente de la física, se encuentran transportados de las páginas de revistas e informes a la página del cómic o la pantalla de televisión, aunque intrínsecamente cambiados. La teletransportación cuántica es un ejemplo interesante de este proceso que funciona a la inversa.

Una recreación de la sala de transporte del Enterprise D como se muestra en el programa Star Trek: The Next Generation. Desafortunadamente, la teletransportación que hizo famosa la franquicia Star Trek es imposible, pero la teletransportación cuántica no es menos fascinante. (Konrad Summers/CC por SA 2.0)

Aunque el físico y teórico de la información Charles Bennet tomó el término teletransportación de la cultura popular, la teletransportación cuántica es radicalmente diferente al proceso utilizado por la tripulación del Enterprise para descender a una vista alienígena. Pero a pesar de esto; esa imagen de Kirk, Spock, Bones y una tripulación de desafortunados camisas rojas que viajan a la superficie de un planeta y regresan, aunque menos a varias de las camisas rojas, es tan omnipresente que es difícil de escapar incluso para los físicos profesionales.

Por supuesto, pienso en Star Trek, donde las personas y las cosas están siendo transportadas, me dice Ulf Leonhardt, del Departamento de Física de Sistemas Complejos del Instituto de Ciencias Weizmann, cuando le pregunto qué significa para él la palabra teletransportación. Y Leonhardt tampoco es ajeno a la teletransportación cuántica. Es conocido por su trabajo en óptica cuántica, uno de los campos en los que se explora la teletransportación cuántica; de hecho, no es exagerado decir que escribió el libro sobre ello.

Esta ubicuidad de la interpretación de la cultura pop de la teletransportación es un tipo especial de obstáculo cuando se trata de la comprensión de la teletransportación cuántica, ya que los dos conceptos son radicalmente diferentes.

La primera y más radical diferencia es que no usarás la teletransportación cuántica para transportarte a la superficie de un mundo alienígena o bajar a las tiendas locales en el corto plazo. Esto no se debe a que la teletransportación cuántica no esté funcionando; la tecnología la tenemos en funcionamiento desde mediados de los noventa. Es porque la teletransportación cuántica no tiene nada que ver con el transporte de materia.

Mind over MatterCómo la teletransportación cuántica cambia la información

La idea de poder reubicar instantánea o casi instantáneamente la materia de un lugar a otro recibió el nombre de teletransportación por parte de un proveedor del extraño Charles Fort en su libro de 1931 ¡Lo! . Pero a pesar de esto; la idea existió en algún momento antes de esto.

Como era de esperar, muchos de los primeros ejemplos de teletransportación se describieron como de naturaleza mágica, pero con el advenimiento de la revolución industrial, notables historias de intriga y suspenso comenzaron a alejarse de las explicaciones sobrenaturales a explicaciones científicas, aunque ninguna de naturaleza más creíble. El primer ejemplo de materia que se transporta instantáneamente de un lugar a otro se realizó científicamente en una novela de 1897.

En Fred T. Janes To Venus in Five Seconds: An Account of the Strange Disappearance of Thomas Plummer, Pillmaker, el héroe titular es transportado desde una agradable casa de verano, aunque llena de extraña maquinaria, al planeta Venus, donde se encuentra con lugareños en guerra y algunos otros. británicos desplazados. Este es el primer ejemplo registrado de equipo científico utilizado para transportar a un héroe a la superficie de un mundo alienígena en la ficción, una función que, por supuesto, se convertirá en el uso más infame de la teletransportación.

Una ilustración de To Venus in Five Seconds: An Account of the Strange Disappearance of Thomas Plummer, Pillmaker, de Fred T Jane. Gracias a un percance de teletransportación, Plummer se ve amenazado por los habitantes de Venus que no son PC (AD Innes, 1897, la Universidad de Wisconsin Madison)

Pero la teletransportación cuántica no se refiere al transporte de materia instantáneamente, sino más bien a la transmisión de información.

Creo que para un profano la teletransportación significa transporte instantáneo de materia, pero un físico sabe que esto es imposible, explica Leonhardt. Más bien, la teletransportación es el transporte de la información de cómo ensamblar la materia para formar un objeto.

No hay ninguna posibilidad de transporte instantáneo de materia, pero sí una buena posibilidad de transferencia de información cuántica de sistemas no demasiado complejos. Sin embargo, teletransportar personas está fuera de discusión.

Ulf Leonhardt, autor de Óptica cuántica esencial

Entonces, si no va a hacer un viaje en un teletransportador en el corto plazo. Dicho esto, podemos investigar la naturaleza de la información que se puede enviar a través de la teletransportación cuántica.

De aquí para allá: comunicación de estado a estado

Como la teletransportación cuántica no se refiere a la transmisión de materia, sino de información, es más correcto considerarla como una forma de comunicación en lugar de una forma de transporte como su contraparte de ciencia ficción. Pero eso deja la pregunta, ¿qué se está comunicando?

La teletransportación cuántica es el transporte de un estado cuántico de un objeto a otro, dice Leonhardt. El estado cuántico contiene toda la información posible sobre el objeto.

Por lo tanto, la teletransportación cuántica realmente significa transferir la estructura cuántica de un objeto de un lugar a otro sin el movimiento de ese objeto físico. Esta estructura cuántica se refiere a las cualidades que puede poseer un sistema o una partícula, como el impulso, la polarización y el espín.

La contraparte mecánica cuántica de los bits clásicos se puede codificar con una gran cantidad de información (Nicholas Shan)

Esta información está codificada en qubits, el análogo mecánico-cuántico de los bits clásicos. Mientras que un bit solo puede mantener la información verdadera o falsa, un qubit se puede codificar con una gran cantidad de información. Entonces, la teletransportación cuántica es un mecanismo para mover este qubit sin mover la partícula con la que está asociado. Esta comunicación requiere que el sistema en el punto de partida y el sistema que representa el punto final estén enredados.

El estado cuántico no se puede medir para un sistema individual, porque una observación puede arruinarlo, explica Leonhardt.

El entrelazamiento entre los dos puertos del sistema de teletransportación cuántica es un ingrediente esencial.

Ulf Leonhardt, autor de Óptica cuántica esencial

Los primeros experimentos con teletransportación cuántica se ocuparon de la transferencia de información de estado entre fotones individuales entrelazados, pero desde entonces se ha realizado en una variedad de sistemas cuánticos, electrones, iones, átomos e incluso circuitos superconductores.

Sin embargo, lo que es importante tener en cuenta es que la teletransportación cuántica no es simplemente crear dos copias del mismo sistema cuántico. De hecho, eso es algo expresamente prohibido por las reglas de la física cuántica.

¡Sin clonación!

El thriller mágico de Christopher Nolan de 2006, The Prestige, basado en una novela de 1995 de Christopher Priest, se centra en la creciente rivalidad de los magos Robert Angier (Hugh Jackman) y Alfred Borden (Christian Bale). La disputa consume a ambos hombres y les cuesta la vida a sus seres queridos y, en última instancia, a ellos mismos.

Durante el curso de esta autodestrucción, en un intento de superar la ilusión más espectacular de Borden, Angier busca la ayuda de una versión ficticia de Nikola Tesla. Telsa le proporciona a Angier un dispositivo de teletransportación, pero le advierte del terrible costo de las máquinas.

El inimitable David Bowie como Nikola Tesla en Christopher Nolans The Prestige. En la película, Tesla advierte con rencor a un ilusionista del terrible costo de su teletransportador pero no es escuchado. (Imágenes de Warner Bros. 2006)

Ese costo es que cada vez que se usa la máquina, se crea una copia de Angier. Un clon. Lo que significa que el ilusionista debe asesinar al original cada vez que se realiza el truco. Se despacha a sí mismo en un tanque de agua escondido debajo del escenario donde se encuentra la cápsula de teletransporte. Una forma apropiada de ir para un mago.

Pero, en la escala cuántica, existen reglas específicas para evitar la clonación de un sistema cada vez que se realiza un acto de prestidigitación cuántica. La teletransportación cuántica tiene una regla estricta de no clonación. El teorema de no clonación establece que no se pueden crear dos copias idénticas del mismo sistema cuántico individual, afirma Leonhardt.

El estado cuántico es demasiado frágil y se vería comprometido en tal proceso.

Ulf Leonhardt, autor de Óptica cuántica esencial

El principio de incertidumbre de Heisenberg es solo una de las reglas de la física cuántica que pondría en peligro la clonación exitosa de un sistema. La versión más conocida del principio de incertidumbre, por ejemplo, establece que es imposible medir con precisión el momento y la posición de un sistema cuántico. Cuanto más precisamente se conoce uno, menos precisamente uno puede conocer al otro.

Pero, si la teletransportación cuántica permitiera clonar un sistema, entonces un investigador emprendedor podría medir la posición del sistema original y medir simultáneamente el impulso del clon, violando así esta regla.

De hecho, todo tipo de desorden se produciría con un sistema que pudiera ser clonado, incluida, eventualmente, la posible violación de la causalidad misma.

Eso significa que la teletransportación cuántica realmente mueve el estado cuántico de un lugar a otro, destruyendo ese estado en el puerto original, posiblemente ahogándolo en un tanque.

La teletransportación cuántica no es instantánea, sino lo antes posible

A pesar del hecho de que los percances de teletransportación a menudo se convirtieron en el foco de los episodios de Star Trek, inicialmente, era poco más que un Deux ex Machina que permitía que la historia fluyera sin que los personajes estuvieran atados por largos viajes en transbordador. Para que la narración de un episodio de televisión conciso de 42 minutos fluyera de manera agradable, era necesario que los personajes pudieran moverse instantáneamente de un lugar a otro.

Desafortunadamente, la teletransportación cuántica también difiere de su antepasado de la cultura pop en este aspecto.

Teletransportación cuántica. Equipo de investigación de Words and Graphic Innebrooks

Aunque la transmisión instantánea de información en la física cuántica existe en forma de cambio instantáneo en un sistema entrelazado cuando se realiza una medición en una parte de ese sistema. Esa medida y la adopción de un estado que provoca da como resultado que el sistema asociado adopte el estado correspondiente instantáneamente, incluso si está en el lado opuesto del Universo.

Esta aparente violación del límite de velocidad universal de la velocidad de la luz en el vacío preocupó tanto a Einstein que se refirió a ella como una acción espeluznante a distancia y sugirió que demostraba que la física cuántica era una teoría incompleta con variables ocultas aún por descubrir. Pero, este aspecto de la física cuántica ha sido confirmado por décadas de investigación después de la muerte del físico austriaco.

La física cuántica es completa, la información viaja entre sistemas cuánticos entrelazados o partículas instantáneamente. Sin embargo, a pesar del hecho de que la teletransportación cuántica funciona sobre la base del entrelazamiento que pasa por un estado entre dos partículas entrelazadas, eso no significa que la teletransportación cuántica también pueda transferir información instantáneamente.

Eso es porque la teletransportación cuántica no es completamente cuántica.

Cuando se transmite un qubit de un emisor a un receptor, llámelos Alice y Bob respectivamente, como se ha vuelto estándar al describir la comunicación cuántica, es necesario transmitir dos bits de información clásica por qubit de Alice a Bob.

Esto significa que se debe crear un canal de comunicación clásico para que Alice y Bob puedan comunicar los resultados de sus mediciones. Si esto no se hace, Alice y Bob no tienen forma de reconstruir el estado inicial y la reconstrucción será aleatoria.

Por lo tanto, la desventaja de esto es que limita la velocidad de transferencia de información a la velocidad de la comunicación clásica. Un qubit no se puede reconstruir antes de que se reciba la información clásica. Los investigadores pueden usar láseres y fotones como base de este sistema de comunicación clásico, por lo que, aunque existe un límite de velocidad, es la velocidad más rápida que se puede lograr. Esto también significa que se puede lograr a través de espacios abiertos sin necesidad de cables de fibra óptica.

Por supuesto, eso significa que Kirk no solo no puede regresar instantáneamente a la Enterprise, sino que ni siquiera puede enviar un comando de transmisión instantánea.

Teletransportación cuántica en la práctica

El uso más probable de la teletransportación cuántica es el desarrollo de la computación cuántica, las redes cuánticas y, finalmente, una Internet cuántica. Actualmente, el debate académico sobre este futuro cuántico se centra en qué sistema de teletransportación cuántica es más fiable.

Esta imagen muestra cristales que contienen información fotónica después de la teletransportación cuántica. ( GAP, Universidad de Ginebra (UNIGE))

En un artículo de 2015 publicado en Nature Photonics , científicos de la Freie Universitt Berlin y las Universidades de Tokio y Toronto realizaron una revisión exhaustiva de la teoría y el experimento en torno a la teletransportación cuántica, concluyendo que ninguna tecnología aislada aún proporciona la solución perfecta, lo que significa que se necesita hibridación si la computación cuántica será alguna vez una realidad.

Esto significa que muchos físicos están trabajando actualmente para mejorar las distancias sobre las cuales se puede lograr la teletransportación cuántica y el tipo de sistemas cuánticos entre los que se pueden comunicar los estados.

Un ejemplo de esto es el fascinante trabajo de Nicholas Gisin en la Universidad de Ginebra (UNIGE). Gisin y su equipo siempre han estado a la vanguardia de empujar las distancias a través de las cuales se puede lograr la teletransportación cuántica. En un estudio de 2014, el equipo de Gisins UNIGE no solo amplió la distancia a través de la cual un estado podría teletransportarse más de 25 metros a través de un cable óptico, sino que también lograron comunicar el estado de un fotón a un cristal sólido, lo que demuestra que los estados pueden pasar entre sistemas radicalmente divergentes.

La investigación de Gisins se mejora constantemente, por lo que la distancia a través de la cual se puede transmitir un estado cuántico se está extendiendo. Y esto incluye tal vez llegar finalmente a la última frontera.

Espacio: probablemente no sea la frontera final para la teletransportación cuántica

En julio de este año, los científicos finalmente hicieron realidad la teletransportación al espacio, tal vez ofreciendo alguna compensación a los fanáticos de la ciencia ficción decepcionados.

Representación del teletransporte cuántico de información desde la superficie de la Tierra al espacio, casi un sueño de los fanáticos de la ciencia ficción. ((IMAGEN POR CAS))

En una serie de experimentos, descritos en un artículo publicado en la revista Science , un equipo internacional de investigadores describió la comunicación de un estado cuántico al espacio y a través de una distancia de hasta 870 millas al satélite chino con capacidad cuántica Micius. La investigación representó el primer experimento óptico cuántico significativo para probar la física fundamental existente entre la teoría cuántica y la gravedad.

Pronto, un nuevo satélite chino orbitará la Tierra a una distancia hasta sesenta veces mayor que la que separa a Micius, lanzado en 2016, de la superficie del planeta. Esto permitirá a los investigadores ampliar aún más los límites de la teletransportación cuántica.

(GRÁFICO) C. BICKEL/ CIENCIA ; (DATOS) JIAN-WEI PAN

Ulf Leonhardt cree, sin embargo, que nuestra comprensión de la teletransportación cuántica y nuestro concepto de lo que se puede lograr dentro eventualmente se volverán tan obsoletos como la ciencia descrita en las escapadas de Thomas Plummer.

Me gusta la ciencia ficción como escenario de experimentos de pensamiento social, pero no tanto para sueños tecnológicos, dice Leonhardt. Es divertido navegar por la ciencia ficción victoriana. Proyectaron su mundo de acero y vapor hacia el futuro, lo que muestra claramente los límites de la imaginación tecnológica.

Nuestras proyecciones modernas compartirán el mismo destino.

Ulf Leonhardt, autor de Óptica cuántica esencial


Fuentes y lecturas adicionales

Leonhardt. L, Óptica Cuántica Esencial, Cambridge University Press, [2010].

Bussires. F. Clausen. C, Gisin. N, et al, Teletransportación cuántica de un fotón de longitud de onda de telecomunicaciones a una memoria cuántica de estado sólido, Nature Photonics, [2014]

Pirandola. S, Eisert. J, Weedbrook. C, et al, Avances en la teletransportación cuántica, Nature Photonics, [2015]

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